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

Ao contrário das células eletrolíticas de membrana alcalina e de troca de prótons, o eletrodo SOE reage com o contato do vapor d'água e enfrenta o desafio de maximizar a área de interface entre o eletrodo e o contato do vapor d'água. Portanto, o eletrodo SOE geralmente tem uma estrutura porosa.O objetivo da eletrólise de vapor de água é reduzir a intensidade de energia e reduzir o custo operacional da eletrólise de água líquida convencional.De fato, embora o requisito total de energia da reação de decomposição da água aumente ligeiramente com o aumento da temperatura, o requisito de energia elétrica diminui significativamente.À medida que a temperatura eletrolítica aumenta, parte da energia necessária é fornecida como calor.O 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 o SOE.Ao mesmo tempo, a pesquisa mostra que a energia renovável, como a energia geotérmica, também tem potencial como fonte de calor da eletrólise a vapor.Operar em alta temperatura pode reduzir a tensão da bateria e aumentar a taxa de reação, mas também enfrenta o desafio da estabilidade térmica e vedação do material.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 de água líquida convencional.O uso de cerâmica condutora de prótons, como o zirconato de estrôncio, reduz o custo do SOE.O zirconato de estrôncio mostra excelente condutividade de prótons a cerca de 700°C e é propício para o cátodo produzir hidrogênio de alta pureza, simplificando o dispositivo de eletrólise a vapor.

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