Produção de hidrogênio a partir de água por eletrólise de óxido sólido

Produção de hidrogênio a partir de água por eletrólise de óxido sólido

A célula de eletrólise de óxido sólido (SOEC) é uma tecnologia de eletrólise de água de alta temperatura que usa YSZ e outros materiais como eletrólitos para produzir hidrogênio por meio de reações anódicas e catódicas. Tem as vantagens de baixo consumo de energia e alta eficiência, e é adequado para recuperação de calor residual, mas enfrenta desafios de alto custo e estabilidade.

A eletrólise de óxido sólido da água para produzir hidrogênio é uma tecnologia de eletrólise de água em alta temperatura. A partir do princípio técnico, o SOEC pode ser dividido em SOEC de condução de íons de oxigênio e SOEC de condução de prótons.

(Princípio de funcionamento SOEC de condução de íons de oxigênio)

(Princípio de funcionamento do SOEC condutor de prótons)

SOEC condutor de íons de oxigênio usa óxido sólido como eletrólito, e as seguintes reações químicas ocorrem no ânodo e no cátodo, respectivamente:
Ânodo: 2O²ˉ=O2+ 4e-
Cátodo: 2H2O+4e-=2H2+2O²ˉ

Os componentes principais do SOEC incluem eletrólito denso e eletrodo poroso, onde o eletrólito é geralmente material de zircônia estabilizada com ítria (YSZ). Em altas temperaturas de 600 a 1000°C, o YSZ possui excelente condutividade iônica e estabilidade termoquímica, tornando-o o material eletrolítico preferido para SOEC.

Além do YSZ, alguns outros materiais também são amplamente utilizados em eletrólitos SOEC. Por exemplo, zircônia estabilizada por scandia (ScSZ) e eletrólitos à base de óxido de cério, esses materiais também apresentam bom desempenho sob certas condições. Além disso, os eletrólitos à base de galato de lantânio estão gradualmente ganhando atenção, e a aplicação desses materiais oferece uma variedade de opções para eletrólitos SOEC.

Em termos de materiais de eletrodo, os eletrodos de hidrogênio geralmente usam compósitos cerâmicos metálicos Ni-YSZ, que não apenas apresentam boa condutividade, mas também fornecem atividade catalítica suficiente para promover a geração de hidrogênio. Os eletrodos de oxigênio usam principalmente compósitos de galato de lantânio dopado com estrôncio (LSM) e YSZ, que podem catalisar efetivamente a geração de oxigênio e manter a estabilidade em altas temperaturas.

A estrutura do SOEC é dividida principalmente em dois tipos: tubular e plana. SOEC tubular é o tipo mais antigo a ser estudado. Sua principal vantagem é que não requer materiais de vedação adicionais e o método de conexão é relativamente simples. No entanto, o SOEC tubular também apresenta desvantagens como alto custo e baixa densidade de potência. Em contraste, o SOEC plano tem as vantagens de alta densidade de potência e baixo custo, tornando-se um ponto importante nas pesquisas atuais. Porém, o SOEC plano apresenta grandes desafios na vedação, sendo necessário superar a estabilidade dos materiais de vedação sob condições de alta temperatura.

A temperatura operacional do SOEC é geralmente tão alta quanto 600 a 1000 ℃, e a entalpia do vapor de água em alta temperatura é alta, então a tensão de eletrólise do SOEC pode ser tão baixa quanto 1,3 V, enquanto a tensão de eletrólise da eletrólise alcalina ou próton a eletrólise da membrana de troca (PEM) é geralmente acima de 1,8V. Portanto, o SOEC tem vantagens óbvias no consumo de energia. Sob a condição de consumo mínimo de energia, 3 kWh de eletricidade podem produzir 1 metro cúbico padrão de hidrogênio. No entanto, o SOEC requer um consumo adicional de energia para produzir vapor de água a alta temperatura, o que apresenta vantagens únicas em alguns cenários de aplicação especiais, como a produção de hidrogénio na energia nuclear.

Embora o SOEC tenha vantagens óbvias no consumo de energia e na eficiência, sua alta temperatura operacional também traz alguns desafios e problemas. A primeira é a questão dos custos. O custo de materiais e processos de fabricação de alta temperatura é alto. O segundo é o longo tempo de inicialização e desligamento. Como o SOEC precisa atingir altas temperaturas para operar, seu processo de inicialização e desligamento é relativamente lento. Além disso, o ciclo de vida também é uma questão fundamental que precisa ser resolvida. Sob condições operacionais de alta temperatura, a estabilidade e durabilidade do material enfrentam desafios.

Atualmente, a tecnologia de produção de hidrogênio por eletrólise de água com óxido sólido ainda está em fase de demonstração e verificação e ainda não foi realizada em aplicações comerciais em larga escala. Apesar dos muitos desafios, a tecnologia SOEC tem demonstrado grande potencial em áreas específicas. Por exemplo, na utilização de calor residual de centrais nucleares e na recuperação de calor residual industrial de alta temperatura, a tecnologia SOEC pode converter eficazmente estas fontes de calor de alta temperatura em hidrogénio, conseguindo assim uma utilização e conversão eficientes de energia.

No futuro, com o progresso contínuo da ciência dos materiais e dos processos de fabricação, espera-se que a tecnologia SOEC supere os atuais gargalos técnicos e alcance maior eficiência e custos mais baixos. Outras pesquisas e desenvolvimentos se concentrarão na melhoria do desempenho dos materiais de eletrólitos e eletrodos, no prolongamento da vida útil do equipamento e na otimização do projeto geral e dos parâmetros operacionais do sistema. Através de melhorias e inovações multifacetadas, espera-se que a tecnologia SOEC ocupe uma posição importante na futura economia do hidrogénio e se torne um meio importante de utilização de energia renovável e produção de hidrogénio.