Avances y análisis económico de la producción de hidrógeno por electrólisis de óxidos sólidos

Avances y análisis económico de la producción de hidrógeno por electrólisis de óxidos sólidos

El electrolizador de óxido sólido (SOE) utiliza vapor de agua a alta temperatura (600 ~ 900 °C) para la electrólisis, que es más eficiente que el electrolizador alcalino y el electrolizador PEM.En la década de 1960, Estados Unidos y Alemania comenzaron a realizar investigaciones sobre SOE de vapor de agua a alta temperatura.El principio de funcionamiento del electrolizador SOE se muestra en la Figura 4.El hidrógeno reciclado y el vapor de agua ingresan al sistema de reacción desde el ánodo. El vapor de agua se electroliza en hidrógeno en el cátodo. El O2 producido por el cátodo se mueve a través del electrolito sólido hacia el ánodo, donde se recombina para formar oxígeno y liberar electrones.

A diferencia de las celdas electrolíticas de membrana de intercambio de protones y alcalinas, el electrodo SOE reacciona con el contacto con el vapor de agua y enfrenta el desafío de maximizar el área de interfaz entre el electrodo y el contacto con el vapor de agua. Por lo tanto, el electrodo SOE generalmente tiene una estructura porosa.El propósito de la electrólisis de vapor de agua es reducir la intensidad energética y reducir el costo operativo de la electrólisis de agua líquida convencional.De hecho, aunque el requerimiento total de energía de la reacción de descomposición del agua aumenta ligeramente al aumentar la temperatura, el requerimiento de energía eléctrica disminuye significativamente.A medida que aumenta la temperatura electrolítica, parte de la energía requerida se suministra en forma de calor.El SOE es capaz de producir hidrógeno en presencia de una fuente de calor de alta temperatura. Dado que los reactores nucleares de alta temperatura refrigerados por gas pueden calentarse a 950 °C, la energía nuclear puede utilizarse como fuente de energía para la SOE.Al mismo tiempo, la investigación muestra que la energía renovable, como la energía geotérmica, también tiene el potencial como fuente de calor de la electrólisis de vapor.Operar a alta temperatura puede reducir el voltaje de la batería y aumentar la velocidad de reacción, pero también enfrenta el desafío de la estabilidad térmica y el sellado del material.Además, el gas producido por el cátodo es una mezcla de hidrógeno, que debe separarse y purificarse aún más, lo que aumenta el costo en comparación con la electrólisis de agua líquida convencional.El uso de cerámicas conductoras de protones, como el zirconato de estroncio, reduce el costo de SOE.El zirconato de estroncio muestra una excelente conductividad de protones a aproximadamente 700 °C y conduce al cátodo a producir hidrógeno de alta pureza, lo que simplifica el dispositivo de electrólisis de vapor.

Yan et al. [6] informó que el tubo cerámico de zirconia estabilizado con óxido de calcio se utilizó como SOE de la estructura de soporte, la superficie exterior se recubrió con perovskita de lantano porosa delgada (menos de 0,25 mm) como ánodo, y cermet de óxido de calcio estable Ni/Y2O3 como cátodo.A 1000 °C, 0,4 A/cm2 y 39,3 W de potencia de entrada, la capacidad de producción de hidrógeno de la unidad es de 17,6 NL/h.La desventaja de SOE es el sobrevoltaje resultante de las altas pérdidas de ohmios que son comunes en las interconexiones entre celdas y la alta concentración de sobrevoltaje debido a las limitaciones del transporte de difusión de vapor.En los últimos años, las celdas electrolíticas planas han atraído mucha atención [7-8].A diferencia de las celdas tubulares, las celdas planas hacen que la fabricación sea más compacta y mejoran la eficiencia de producción de hidrógeno [6].En la actualidad, el principal obstáculo para la aplicación industrial de SOE es la estabilidad a largo plazo de la celda electrolítica [8], y los problemas de envejecimiento y desactivación de los electrodos pueden ser causados.