Producción de hidrógeno a partir de agua mediante electrólisis de óxido sólido.

Producción de hidrógeno a partir de agua mediante electrólisis de óxido sólido.

La celda de electrólisis de óxido sólido (SOEC) es una tecnología de electrólisis de agua a alta temperatura que utiliza YSZ y otros materiales como electrolitos para producir hidrógeno a través de reacciones de ánodo y cátodo. Tiene las ventajas de un bajo consumo de energía y una alta eficiencia, y es adecuado para la recuperación de calor residual, pero enfrenta desafíos de alto costo y estabilidad.

La electrólisis del agua con óxido sólido para producir hidrógeno es una tecnología de electrólisis del agua a alta temperatura. Desde el principio técnico, las SOEC se pueden dividir en SOEC de conducción de iones de oxígeno y SOEC de conducción de protones.

(Principio de funcionamiento SOEC de conducción de iones de oxígeno)

(Principio de funcionamiento del SOEC conductor de protones)

El SOEC conductor de iones de oxígeno utiliza óxido sólido como electrolito y se producen las siguientes reacciones químicas en el ánodo y el cátodo, respectivamente:
Ánodo: 2O²ˉ=O2+ 4e-
Cátodo: 2H2O+4e-=2H2+2O²ˉ

Los componentes principales de SOEC incluyen un electrolito denso y un electrodo poroso, donde el electrolito suele ser material de circonio estabilizado con itria (YSZ). A altas temperaturas de 600 a 1000 °C, YSZ tiene una excelente conductividad iónica y estabilidad termoquímica, lo que lo convierte en el material electrolítico preferido para SOEC.

Además del YSZ, en los electrolitos SOEC también se utilizan ampliamente otros materiales. Por ejemplo, el circonio estabilizado con escandia (ScSZ) y los electrolitos a base de óxido de cerio, estos materiales también muestran un buen rendimiento en determinadas condiciones. Además, los electrolitos a base de galato de lantano están ganando atención gradualmente, y la aplicación de estos materiales proporciona una variedad de opciones para los electrolitos SOEC.

En términos de materiales de electrodos, los electrodos de hidrógeno suelen utilizar compuestos cerámicos metálicos de Ni-YSZ, que no solo tienen buena conductividad, sino que también proporcionan suficiente actividad catalítica para promover la generación de hidrógeno. Los electrodos de oxígeno utilizan principalmente compuestos de galato de lantano (LSM) dopado con estroncio e YSZ, que pueden catalizar eficazmente la generación de oxígeno y mantener la estabilidad a altas temperaturas.

La estructura de SOEC se divide principalmente en dos tipos: tubular y plana. El SOEC tubular es el tipo más antiguo que se ha estudiado. Su principal ventaja es que no requiere materiales de sellado adicionales y el método de conexión es relativamente sencillo. Sin embargo, el SOEC tubular también tiene desventajas como el alto costo y la baja densidad de potencia. Por el contrario, las SOEC planas tienen las ventajas de una alta densidad de potencia y un bajo costo, por lo que se han convertido en un punto caliente en la investigación actual. Sin embargo, el SOEC plano presenta grandes desafíos en cuanto al sellado y es necesario superar la estabilidad de los materiales de sellado en condiciones de alta temperatura.

La temperatura de funcionamiento de SOEC suele ser de 600 a 1000 ℃, y la entalpía del vapor de agua a alta temperatura es alta, por lo que el voltaje de electrólisis de SOEC puede ser tan bajo como 1,3 V, mientras que el voltaje de electrólisis de la electrólisis alcalina o de protones La electrólisis de membrana de intercambio (PEM) suele estar por encima de 1,8 V. Por lo tanto, SOEC tiene ventajas obvias en el consumo de energía. Con un consumo mínimo de energía, 3 kWh de electricidad pueden producir 1 metro cúbico estándar de hidrógeno. Sin embargo, SOEC requiere un consumo de energía adicional para producir vapor de agua a alta temperatura, lo que tiene ventajas únicas en algunos escenarios de aplicación especiales, como la producción de hidrógeno mediante energía nuclear.

Aunque SOEC tiene ventajas obvias en cuanto a consumo de energía y eficiencia, su alta temperatura de funcionamiento también plantea algunos desafíos y problemas. La primera es la cuestión de los costos. El coste de los materiales y los procesos de fabricación a alta temperatura es elevado. El segundo es el largo tiempo de arranque y apagado. Dado que SOEC necesita alcanzar altas temperaturas para funcionar, su proceso de inicio y apagado es relativamente lento. Además, el ciclo de vida también es una cuestión clave que debe resolverse. En condiciones de funcionamiento a alta temperatura, la estabilidad y durabilidad del material enfrentan desafíos.

En la actualidad, la tecnología de producción de hidrógeno por electrólisis de agua con óxido sólido aún se encuentra en la etapa de demostración y verificación, y aún no se ha implementado en aplicaciones comerciales a gran escala. A pesar de los numerosos desafíos, la tecnología SOEC ha mostrado un gran potencial en áreas específicas. Por ejemplo, en la utilización del calor residual de las centrales nucleares y la recuperación del calor residual industrial de alta temperatura, la tecnología SOEC puede convertir eficazmente estas fuentes de calor de alta temperatura en hidrógeno, logrando así una utilización y conversión eficientes de la energía.

En el futuro, con el progreso continuo de la ciencia de los materiales y los procesos de fabricación, se espera que la tecnología SOEC supere los obstáculos técnicos actuales y logre una mayor eficiencia y menores costos. La investigación y el desarrollo adicionales se centrarán en mejorar el rendimiento de los materiales de electrolitos y electrodos, extender la vida útil de los equipos y optimizar el diseño general y los parámetros operativos del sistema. A través de mejoras e innovaciones multifacéticas, se espera que la tecnología SOEC ocupe una posición importante en la futura economía del hidrógeno y se convierta en un medio importante para la utilización de energía renovable y la producción de hidrógeno.