Producția de hidrogen din apă prin electroliză a oxidului solid

Producția de hidrogen din apă prin electroliză a oxidului solid

Celula de electroliză cu oxid solid (SOEC) este o tehnologie de electroliză a apei la temperatură înaltă care utilizează YSZ și alte materiale ca electroliți pentru a produce hidrogen prin reacții anodice și catodice. Are avantajele unui consum redus de energie și eficiență ridicată și este potrivit pentru recuperarea căldurii reziduale, dar se confruntă cu provocări ridicate de cost și stabilitate.

Electroliza cu oxid solid a apei pentru a produce hidrogen este o tehnologie de electroliză a apei la temperatură înaltă. Din principiul tehnic, SOEC poate fi împărțit în conducție ionică de oxigen SOEC și conducție de protoni SOEC.

(Principiul de lucru SOEC al conducției ionilor de oxigen)

(Principiul de funcționare al SOEC conducător de protoni)

SOEC conducător de ioni de oxigen utilizează oxid solid ca electrolit, iar următoarele reacții chimice au loc la anod și, respectiv, catod:
Anod: 2O²ˉ=O2+ 4e-
Catod: 2H2O+4e-=2H2+2O2ˉ

Componentele de bază ale SOEC includ electrolitul dens și electrodul poros, unde electrolitul este de obicei material zirconiu stabilizat cu ytria (YSZ). La temperaturi ridicate de 600 până la 1000°C, YSZ are o conductivitate ionică excelentă și o stabilitate termochimică, ceea ce îl face materialul electrolit preferat pentru SOEC.

Pe lângă YSZ, alte materiale sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în electroliții SOEC. De exemplu, zirconia stabilizată cu scandia (ScSZ) și electroliții pe bază de oxid de ceriu, aceste materiale prezintă, de asemenea, performanțe bune în anumite condiții. În plus, electroliții pe bază de galat de lantan câștigă treptat atenția, iar aplicarea acestor materiale oferă o varietate de opțiuni pentru electroliții SOEC.

În ceea ce privește materialele electrozilor, electrozii de hidrogen folosesc de obicei compozite metal-ceramice Ni-YSZ, care nu numai că au o conductivitate bună, dar oferă și o activitate catalitică suficientă pentru a promova generarea de hidrogen. Electrozii de oxigen folosesc în cea mai mare parte compozite din galat de lantan dopat cu stronțiu (LSM) și YSZ, care pot cataliza eficient generarea de oxigen și pot menține stabilitatea la temperaturi ridicate.

Structura SOEC este împărțită în principal în două tipuri: tubulară și plată. SOEC tubular este cel mai timpuriu tip care a fost studiat. Principalul său avantaj este că nu necesită materiale de etanșare suplimentare, iar metoda de conectare este relativ simplă. Cu toate acestea, SOEC tubular are și dezavantaje, cum ar fi costul ridicat și densitatea redusă de putere. În contrast, SOEC plat are avantajele densității mari de putere și costului scăzut, așa că a devenit un punct fierbinte în cercetările actuale. Cu toate acestea, SOEC plat are mari provocări în etanșare și este necesar să se depășească stabilitatea materialelor de etanșare în condiții de temperatură ridicată.

Temperatura de funcționare a SOEC este de obicei la 600 până la 1000 ℃, iar entalpia vaporilor de apă la temperatură înaltă este mare, astfel încât tensiunea de electroliză a SOEC poate fi de până la 1,3 V, în timp ce tensiunea de electroliză a electrolizei alcaline sau a protonului electroliza cu membrană de schimb (PEM) este de obicei peste 1,8 V. Prin urmare, SOEC are avantaje evidente în ceea ce privește consumul de energie. În condițiile unui consum minim de energie, 3 kWh de energie electrică pot produce 1 metru cub standard de hidrogen. Cu toate acestea, SOEC necesită un consum suplimentar de energie pentru a produce vapori de apă la temperatură înaltă, ceea ce are avantaje unice în unele scenarii de aplicații speciale, cum ar fi producția de hidrogen în energia nucleară.

Deși SOEC are avantaje evidente în ceea ce privește consumul de energie și eficiența, temperatura sa ridicată de funcționare aduce și unele provocări și probleme. Prima este problema costurilor. Costul materialelor de înaltă temperatură și al proceselor de fabricație este ridicat. Al doilea este timpul lung de pornire și oprire. Deoarece SOEC trebuie să atingă o temperatură ridicată pentru a funcționa, procesul său de pornire și oprire este relativ lent. În plus, ciclul de viață este, de asemenea, o problemă cheie care trebuie rezolvată. În condiții de funcționare la temperaturi ridicate, stabilitatea și durabilitatea materialului se confruntă cu provocări.

În prezent, tehnologia de producere a hidrogenului prin electroliză a apei cu oxid solid este încă în stadiul de demonstrare și verificare și nu a fost încă realizată în aplicații comerciale la scară largă. În ciuda numeroaselor provocări, tehnologia SOEC a arătat un mare potențial în domenii specifice. De exemplu, în utilizarea căldurii reziduale de la centralele nucleare și în recuperarea căldurii reziduale industriale la temperaturi înalte, tehnologia SOEC poate converti în mod eficient aceste surse de căldură la temperatură înaltă în hidrogen, obținând astfel o utilizare eficientă și conversie a energiei.

În viitor, odată cu progresul continuu al științei materialelor și al proceselor de fabricație, tehnologia SOEC este de așteptat să depășească blocajele tehnice actuale și să obțină o eficiență mai mare și costuri mai mici. Cercetările și dezvoltarea ulterioare se vor concentra pe îmbunătățirea performanței electroliților și a materialelor electrozilor, pe extinderea duratei de viață a echipamentelor și pe optimizarea designului general și a parametrilor de funcționare ai sistemului. Prin îmbunătățiri și inovații cu mai multe fațete, tehnologia SOEC este de așteptat să ocupe o poziție importantă în viitoarea economie a hidrogenului și să devină un mijloc important de utilizare a energiei regenerabile și de producere a hidrogenului.