Progresso e análise econômica da produção de hidrogênio por eletrólise de óxidos sólidos.

Progresso e análise econômica da produção de hidrogênio por eletrólise de óxidos sólidos.

O eletrolisador de óxido sólido (SOE) utiliza vapor de água em alta temperatura (600 ~ 900 °C) para a eletrólise, sendo mais eficiente que o eletrolisador alcalino e o eletrolisador PEM. Na década de 1960, os Estados Unidos e a Alemanha iniciaram pesquisas sobre o SOE com vapor de água em alta temperatura. O princípio de funcionamento do eletrolisador SOE é mostrado na Figura 4. Hidrogênio e vapor de água reciclados entram no sistema de reação pelo ânodo. O vapor de água é eletrolisado em hidrogênio no cátodo. O O₂ produzido pelo cátodo se move através do eletrólito sólido até o ânodo, onde se recombina para formar oxigênio e liberar elétrons.

Diferentemente das células eletrolíticas alcalinas e de membrana de troca de prótons, o eletrodo da célula de eletrólise de vapor d'água (SOE) reage em contato com o vapor d'água e enfrenta o desafio de maximizar a área de interface entre o eletrodo e o vapor. Portanto, o eletrodo da SOE geralmente possui uma estrutura porosa. O objetivo da eletrólise de vapor d'água é reduzir a intensidade energética e o custo operacional da eletrólise convencional de água líquida. De fato, embora a energia total necessária para a reação de decomposição da água aumente ligeiramente com o aumento da temperatura, a energia elétrica necessária diminui significativamente. À medida que a temperatura eletrolítica aumenta, parte da energia necessária é fornecida como calor. A SOE é capaz de produzir hidrogênio na presença de uma fonte de calor de alta temperatura. Como os reatores nucleares refrigerados a gás de alta temperatura podem ser aquecidos a 950 °C, a energia nuclear pode ser usada como fonte de energia para a SOE. Ao mesmo tempo, pesquisas mostram que energias renováveis, como a geotérmica, também têm potencial como fonte de calor para a eletrólise de vapor. Operar em alta temperatura pode reduzir a tensão da bateria e aumentar a taxa de reação, mas também apresenta desafios relacionados à estabilidade térmica do material e à vedação. Além disso, o gás produzido pelo cátodo é uma mistura de hidrogênio, que precisa ser posteriormente separada e purificada, aumentando o custo em comparação com a eletrólise convencional da água líquida. O uso de cerâmicas condutoras de prótons, como o zirconato de estrôncio, reduz o custo da eletrólise de vapor. O zirconato de estrôncio apresenta excelente condutividade protônica a cerca de 700 °C e favorece a produção de hidrogênio de alta pureza pelo cátodo, simplificando o dispositivo de eletrólise de vapor.

Yan et al. [6] relataram que um tubo cerâmico de zircônia estabilizado por óxido de cálcio foi usado como SOE da estrutura de suporte, a superfície externa foi revestida com uma fina camada (menos de 0,25 mm) de perovskita de lantânio porosa como ânodo e um cermet de óxido de cálcio estável Ni/Y2O3 como cátodo. A 1000 °C, 0,4 A/cm² e potência de entrada de 39,3 W, a capacidade de produção de hidrogênio da unidade é de 17,6 NL/h. A desvantagem do SOE é a sobretensão resultante das altas perdas ôhmicas comuns nas interconexões entre as células e a alta concentração de sobretensão devido às limitações do transporte por difusão de vapor. Nos últimos anos, as células eletrolíticas planas têm atraído muita atenção [7-8]. Em contraste com as células tubulares, as células planas tornam a fabricação mais compacta e melhoram a eficiência da produção de hidrogênio [6]. Atualmente, o principal obstáculo à aplicação industrial do SOE é a estabilidade a longo prazo da célula eletrolítica [8], e os problemas de envelhecimento e desativação do eletrodo podem ser causados.