Progresso e analisi economica della produzione di idrogeno mediante elettrolisi di ossidi solidi

Progresso e analisi economica della produzione di idrogeno mediante elettrolisi di ossidi solidi

L'elettrolizzatore a ossido solido (SOE) utilizza vapore acqueo ad alta temperatura (600 ~ 900°C) per l'elettrolisi, che è più efficiente dell'elettrolizzatore alcalino e dell'elettrolizzatore PEM.Negli anni '60, gli Stati Uniti e la Germania iniziarono a condurre ricerche sul SOE del vapore acqueo ad alta temperatura.Il principio di funzionamento dell'elettrolizzatore SOE è mostrato nella Figura 4.L'idrogeno riciclato e il vapore acqueo entrano nel sistema di reazione dall'anodo. Il vapore acqueo viene elettrolizzato in idrogeno al catodo. L'O2 prodotto dal catodo si sposta attraverso l'elettrolita solido fino all'anodo, dove si ricombina per formare ossigeno e rilasciare elettroni.

A differenza delle celle elettrolitiche a membrana alcalina ea scambio protonico, l'elettrodo SOE reagisce con il contatto con il vapore acqueo e affronta la sfida di massimizzare l'area di interfaccia tra l'elettrodo e il contatto con il vapore acqueo. Pertanto, l'elettrodo SOE ha generalmente una struttura porosa.Lo scopo dell'elettrolisi del vapore acqueo è ridurre l'intensità energetica e ridurre i costi operativi dell'elettrolisi convenzionale dell'acqua liquida.Infatti, sebbene il fabbisogno energetico totale della reazione di decomposizione dell'acqua aumenti leggermente con l'aumentare della temperatura, il fabbisogno di energia elettrica diminuisce significativamente.All'aumentare della temperatura elettrolitica, parte dell'energia richiesta viene fornita sotto forma di calore.Il SOE è in grado di produrre idrogeno in presenza di una fonte di calore ad alta temperatura. Poiché i reattori nucleari raffreddati a gas ad alta temperatura possono essere riscaldati fino a 950°C, l'energia nucleare può essere utilizzata come fonte di energia per il SOE.Allo stesso tempo, la ricerca mostra che l'energia rinnovabile come l'energia geotermica ha anche il potenziale come fonte di calore dell'elettrolisi del vapore.Il funzionamento ad alta temperatura può ridurre la tensione della batteria e aumentare la velocità di reazione, ma deve anche affrontare la sfida della stabilità termica e della tenuta del materiale.Inoltre, il gas prodotto dal catodo è una miscela di idrogeno, che deve essere ulteriormente separata e purificata, aumentando il costo rispetto all'elettrolisi convenzionale dell'acqua liquida.L'uso di ceramiche a conduzione protonica, come lo zirconato di stronzio, riduce il costo di SOE.Lo zirconato di stronzio mostra un'eccellente conducibilità protonica a circa 700°C e favorisce la produzione di idrogeno ad alta purezza da parte del catodo, semplificando il dispositivo di elettrolisi a vapore.

Yan et al. [6] ha riferito che il tubo in ceramica di zirconio stabilizzato da ossido di calcio è stato utilizzato come SOE della struttura di supporto, la superficie esterna è stata rivestita con perovskite di lantanio poroso sottile (meno di 0,25 mm) come anodo e cermet di ossido di calcio stabile Ni/Y2O3 come catodo.A 1000°C, 0,4 A/cm2 e 39,3 W di potenza in ingresso, la capacità di produzione di idrogeno dell'unità è di 17,6 NL/h.Lo svantaggio di SOE è la sovratensione risultante da elevate perdite ohm che sono comuni nelle interconnessioni tra le celle e l'elevata concentrazione di sovratensione dovuta alle limitazioni del trasporto di diffusione del vapore.Negli ultimi anni, le celle elettrolitiche planari hanno attirato molta attenzione [7-8].A differenza delle celle tubolari, le celle piatte rendono la produzione più compatta e migliorano l'efficienza della produzione di idrogeno [6].Allo stato attuale, il principale ostacolo all'applicazione industriale di SOE è la stabilità a lungo termine della cella elettrolitica [8], e possono essere causati i problemi di invecchiamento e disattivazione dell'elettrodo.