Celda de electrolizador de óxido sólido - Solid oxide electrolyzer cell

Pila SOEC de 60 celdas.

Una célula de electrolizador de óxido sólido (SOEC) es una pila de combustible de óxido sólido que se ejecuta en modo regenerativo para lograr la electrólisis del agua (y / o dióxido de carbono) mediante el uso de un óxido sólido, o de cerámica , electrolito a los productos de gas de hidrógeno (y / o monóxido de carbono ) y oxígeno. La producción de hidrógeno puro es convincente porque es un combustible limpio que se puede almacenar fácilmente, lo que lo convierte en una alternativa potencial a las baterías. La electrólisis es actualmente el método más prometedor de producción de hidrógeno a partir del agua debido a la alta eficiencia de conversión y la entrada de energía requerida relativamente baja en comparación con los métodos termoquímicos y fotocatalíticos.

Principio

Las celdas de electrolizador de óxido sólido operan a temperaturas que permiten que ocurra la electrólisis a alta temperatura , típicamente entre 500 y 850 ° C. Estas temperaturas de funcionamiento son similares a las condiciones de una pila de combustible de óxido sólido . La reacción de la celda neta produce gases de hidrógeno y oxígeno. Las reacciones para un mol de agua se muestran a continuación, con oxidación del agua en el ánodo y reducción del agua en el cátodo .

Ánodo: 2 O ²⁻ → O ₂ + 4 e ^-

Cátodo: H ₂ O + 2 e ^- → H ₂ + O ²⁻

Reacción neta: 2 H ₂ O → 2 H ₂ + O ₂

La electrólisis del agua a 298 K (25 ° C) requiere 285,83 kJ de energía por mol para que ocurra, y la reacción es cada vez más endotérmica al aumentar la temperatura. Sin embargo, la demanda de energía puede reducirse debido al calentamiento Joule de una celda de electrólisis, que puede utilizarse en el proceso de división del agua a altas temperaturas. Se están realizando investigaciones para agregar calor de fuentes de calor externas, como los colectores solares térmicos de concentración y las fuentes geotérmicas .

Operación

La función general de la célula de electrolizador es para dividir el agua en forma de vapor en pura H ₂ y O ₂ . Se alimenta vapor al cátodo poroso. Cuando se aplica un voltaje, el vapor se mueve a la interfaz de cátodo-electrolito y se reduce para formar H puros ₂ y oxígeno iones. El gas de hidrógeno luego se difunde hacia arriba a través del cátodo y se recoge en su superficie como combustible de hidrógeno, mientras que los iones de oxígeno se conducen a través del electrolito denso. El electrolito debe ser lo suficientemente denso como para que el vapor y el gas hidrógeno no puedan difundirse y conducir a la recombinación del H ₂ y O ²⁻ . En la interfaz electrolito-ánodo, los iones de oxígeno se oxidan para formar gas oxígeno puro, que se acumula en la superficie del ánodo.

Materiales

Las celdas de electrolizador de óxido sólido siguen la misma construcción de una celda de combustible de óxido sólido, que consta de un electrodo de combustible (cátodo), un electrodo de oxígeno (ánodo) y un electrolito de óxido sólido.

Electrólito

El electrolito más común, de nuevo similar a las pilas de combustible de óxido sólido, es un conductor iónico denso que consta de ZrO ₂ dopado con 8% en moles de Y ₂ O ₃ (también conocido como YSZ). Se utiliza dióxido de circonia debido a su alta resistencia, alta temperatura de fusión (aproximadamente 2700 ° C) y excelente resistencia a la corrosión. Se agrega Y ₂ O ₃ para mitigar la transición de fase de la fase tetragonal a la monoclínica en el enfriamiento rápido, lo que puede provocar grietas y disminuir las propiedades conductoras del electrolito al causar dispersión. Algunas otras opciones comunes para SOEC son zirconia estabilizada con escandia (ScSZ), electrolitos a base de ceria o materiales de galato de lantano. A pesar de la similitud del material con las pilas de combustible de óxido sólido, las condiciones de funcionamiento son diferentes, lo que genera problemas como altas concentraciones de vapor en el electrodo de combustible y altas presiones parciales de oxígeno en la interfaz electrolito / electrodo de oxígeno. Un estudio reciente encontró que el ciclo periódico de una celda entre los modos de electrolizador y celda de combustible redujo la acumulación de presión parcial de oxígeno y aumentó drásticamente la vida útil de la celda del electrolizador.

Electrodo de combustible (cátodo)

El material de electrodo de combustible más común es un YSZ dopado con Ni. Sin embargo, las altas presiones parciales de vapor y las bajas presiones parciales de hidrógeno en la interfaz Ni-YSZ provocan la oxidación del níquel, lo que da como resultado la degradación del catalizador. El manganeso de estroncio de lantano de tipo perovskita (LSM) también se usa comúnmente como material de cátodo. Estudios recientes han encontrado que el dopado de LSM con escandio para formar LSMS promueve la movilidad de iones de óxido en el cátodo, aumentando la cinética de reducción en la interfaz con el electrolito y, por lo tanto, conduciendo a un mayor rendimiento a bajas temperaturas que las células LSM tradicionales. Sin embargo, se requiere un mayor desarrollo de los parámetros del proceso de sinterización para evitar la precipitación de óxido de escandio en la red LSM. Estas partículas precipitadas son problemáticas porque pueden impedir la conducción de electrones e iones. En particular, se están investigando la temperatura de procesamiento y la concentración de escandio en la red LSM para optimizar las propiedades del cátodo LSMS. Se están investigando nuevos materiales como el cromato de manganeso, estroncio y lantano (LSCM), que ha demostrado ser más estable en condiciones de electrólisis. LSCM tiene una alta estabilidad redox, que es crucial especialmente en la interfaz con el electrolito. El LCSM dopado con escandio (LSCMS) también se está investigando como material de cátodo debido a su alta conductividad iónica. Sin embargo, el elemento de tierras raras introduce un costo de materiales significativo y se encontró que causa una ligera disminución en la conductividad mixta general. No obstante, los materiales LCSMS han demostrado una alta eficiencia a temperaturas tan bajas como 700 ° C.

Electrodo de oxígeno (ánodo)

El manganato de estroncio de lantano (LSM) es el material de electrodo de oxígeno más común. LSM ofrece un alto rendimiento en condiciones de electrólisis debido a la generación de vacantes de oxígeno bajo polarización anódica que ayudan a la difusión del oxígeno. Además, se descubrió que la impregnación del electrodo LSM con nanopartículas de GDC aumenta la vida útil de la celda al evitar la deslaminación en la interfaz electrodo / electrolito. El mecanismo exacto por el que esto sucede debe explorarse más a fondo. En un estudio de 2010, se descubrió que el niquelato de neodimio como material de ánodo proporcionaba 1,7 veces la densidad de corriente de los ánodos LSM típicos cuando se integraban en un SOEC comercial y funcionaban a 700 ° C, y aproximadamente 4 veces la densidad de corriente cuando funcionaban a 800 ° C. Se postula que el mayor rendimiento se debe a una mayor "sobretoquimoetría" de oxígeno en el niquelato de neodimio, lo que lo convierte en un conductor exitoso tanto de iones como de electrones.

Consideraciones

Las ventajas de las celdas de combustible regenerativas basadas en óxidos sólidos incluyen altas eficiencias, ya que no están limitadas por la eficiencia de Carnot . Las ventajas adicionales incluyen estabilidad a largo plazo, flexibilidad de combustible, bajas emisiones y bajos costos operativos. Sin embargo, la mayor desventaja es la alta temperatura de funcionamiento , que se traduce en tiempos de puesta en marcha y tiempos de rodaje prolongados. La alta temperatura de funcionamiento también conduce a problemas de compatibilidad mecánica, como desajuste de expansión térmica y problemas de estabilidad química, como la difusión entre capas de material en la celda.

En principio, el proceso de cualquier pila de combustible podría invertirse debido a la reversibilidad inherente de las reacciones químicas. Sin embargo, una celda de combustible dada generalmente está optimizada para operar en un modo y puede que no esté construida de tal manera que pueda funcionar en reversa. Las celdas de combustible operadas al revés pueden no ser sistemas muy eficientes a menos que estén construidas para hacerlo, como en el caso de celdas de electrolizador de óxido sólido, electrolizadores de alta presión , celdas de combustible regenerativas unitarias y celdas de combustible regenerativas . Sin embargo, la investigación actual se está llevando a cabo para investigar sistemas en los que una celda de óxido sólido puede funcionar en cualquier dirección de manera eficiente.

Delaminación

Se ha observado que las pilas de combustible que funcionan en modo de electrólisis se degradan principalmente debido a la delaminación del ánodo del electrolito. La delaminación es el resultado de la acumulación de alta presión parcial de oxígeno en la interfaz electrolito-ánodo. Los poros en el material del ánodo del electrolito actúan para confinar altas presiones parciales de oxígeno que inducen la concentración de tensión en el material circundante. La tensión máxima inducida se puede expresar en términos de la presión de oxígeno interna utilizando la siguiente ecuación de la mecánica de la fractura:

{\ Displaystyle \ sigma _ {max} = 2P_ {O2} ({\ frac {c} {\ rho}}) ^ {1/2}}

donde c es la longitud de la grieta o poro y es el radio de curvatura de la grieta o poro. Si excede la resistencia teórica del material, la grieta se propagará, dando como resultado macroscópicamente una delaminación. ${\ Displaystyle \ rho}$ ${\ Displaystyle \ sigma _ {max}}$

Virkar y col. creó un modelo para calcular la presión parcial de oxígeno interna a partir de la presión parcial de oxígeno expuesta a los electrodos y las propiedades resistivas del electrolito. La presión interna de oxígeno en la interfaz electrolito-ánodo se modeló como:

{\ Displaystyle P_ {O2} ^ {a} = P_ {O2} ^ {Buey} \ exp \ left [- {\ frac {4F} {RT}} \ left \ {{\ frac {E_ {a} r_ { e} ^ {a}} {R_ {e}}} - {\ frac {(E_ {a} -E_ {N}) r_ {i} ^ {a}} {R_ {i}}} \ right \} \derecho]}

{\ displaystyle = P_ {O2} ^ {Buey} \ exp \ left [- {\ frac {4F} {RT}} \ left \ {(\ phi ^ {Buey} - \ phi ^ {a}) - {\ frac {(E_ {a} -E_ {N}) r_ {i} ^ {a}} {R_ {i}}} \ right \} \ right]}

donde es la presión parcial de oxígeno expuesta al electrodo de oxígeno (ánodo), es la resistencia electrónica específica del área en la interfaz del ánodo, es la resistencia iónica específica del área en la interfaz del ánodo, es el voltaje aplicado, es el potencial de Nernst y son los resistencias específicas de áreas electrónicas e iónicas generales, respectivamente, y y son los potenciales eléctricos en la superficie del ánodo y la interfaz del electrolito del ánodo, respectivamente. ${\ displaystyle P_ {O2} ^ {Buey}}$ ${\ displaystyle re ^ {a}}$ ${\ Displaystyle r_ {i} ^ {a}}$ ${\ Displaystyle E_ {a}}$ ${\ Displaystyle E_ {N}}$ ${\ Displaystyle R_ {e}}$ ${\ Displaystyle R_ {i}}$ ${\ Displaystyle \ phi ^ {Buey}}$ ${\ Displaystyle \ phi ^ {a}}$

En modo de electrólisis > y > . Si es mayor que está determinado por ( - ) o es mayor que . La presión parcial de oxígeno interno se minimiza aumentando la resistencia electrónica en la interfaz del ánodo y disminuyendo la resistencia iónica en la interfaz del ánodo. ${\ Displaystyle \ phi ^ {Buey}}$ ${\ Displaystyle \ phi ^ {a}}$ ${\ Displaystyle E_ {a}}$ ${\ Displaystyle E_ {N}}$ ${\ Displaystyle P_ {O2} ^ {a}}$ ${\ displaystyle P_ {O2} ^ {Buey}}$ ${\ Displaystyle \ phi ^ {Buey}}$ ${\ Displaystyle \ phi ^ {a}}$ ${\ Displaystyle {\ frac {E_ {a} r_ {e} ^ {a}} {R_ {e}}}}$ ${\ Displaystyle {\ frac {(E_ {a} -E_ {N}) r_ {i} ^ {a}} {R_ {i}}}}$

La deslaminación del ánodo del electrolito aumenta la resistencia de la celda y necesita voltajes operativos más altos para mantener una corriente estable. Los voltajes aplicados más altos aumentan la presión parcial de oxígeno interno, exacerbando aún más la degradación.

Aplicaciones

Las SOEC tienen una posible aplicación en la producción de combustible, el reciclaje de dióxido de carbono y la síntesis de productos químicos. Además de la producción de hidrógeno y oxígeno, se podría utilizar un SOEC para crear gas de síntesis electrolizando vapor de agua y dióxido de carbono. Esta conversión podría ser útil para aplicaciones de generación y almacenamiento de energía.

El MIT probó con éxito el método en el rover Perseverance como un medio para producir oxígeno tanto para el sustento humano como para el propulsor de cohetes de oxígeno líquido.

Condiciones de operación

Los módulos SOEC pueden operar en tres modos diferentes: exotérmico, endotérmico y termoneutral . En el modo exotérmico, la temperatura de la chimenea aumenta durante el funcionamiento debido a la acumulación de calor, y este calor se utiliza para el precalentamiento del gas de entrada. Por lo tanto, no se necesita una fuente de calor externa mientras aumenta el consumo de energía eléctrica. En el modo de operación de chimenea endotérmica, hay un aumento en el consumo de energía térmica y una reducción en el consumo de energía eléctrica y la producción de hidrógeno porque la densidad de corriente promedio también disminuye. El tercer modo es termoneutral en el que el calor generado por pérdidas irreversibles es igual al calor requerido por la reacción. Como hay algunas pérdidas térmicas, se necesita una fuente de calor externa. Este modo consume más electricidad que el modo de funcionamiento endotérmico.

Languages

In other projects