Celda de electrolizador de óxido sólido
Una celda de electrolizador de óxido sólido (SOEC) es una celda de combustible de óxido sólido que funciona en modo regenerativo para lograr la electrólisis del agua (y/o el dióxido de carbono) [1] mediante el uso de un electrolito de óxido sólido o cerámico para producir gas hidrógeno [ 2] (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, el metano y otras fuentes de energía (ver economía del hidrógeno ). [3]La electrólisis es actualmente el método más prometedor de producción de hidrógeno a partir del agua debido a la alta eficiencia de conversión y al aporte de energía requerido relativamente bajo en comparación con los métodos termoquímicos y fotocatalíticos. [4]
Las celdas de electrolizadores de óxido sólido funcionan a temperaturas que permiten que se produzca una electrólisis a alta temperatura [5] , normalmente entre 500 y 850 °C. Estas temperaturas de operación son similares a las condiciones para una celda de combustible de óxido sólido . La reacción neta de la celda produce gases de hidrógeno y oxígeno. Las reacciones para un mol de agua se muestran a continuación, con la oxidación del agua ocurriendo en el ánodo y la reducción del agua ocurriendo en el cátodo .
La electrólisis del agua a 298 K (25 °C) requiere 285,83 kJ de energía por mol para que ocurra, [6] y la reacción es cada vez más endotérmica con el aumento de 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 colectores solares térmicos de concentración y fuentes geotérmicas . [7]
La función general de la celda del electrolizador es dividir el agua en forma de vapor en H 2 y O 2 puros . El vapor se introduce en el cátodo poroso. Cuando se aplica un voltaje, el vapor se mueve hacia la interfase cátodo-electrolito y se reduce para formar iones de oxígeno y H2 puros. Luego, el gas de hidrógeno se difunde a través del cátodo y se recolecta 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 para que el vapor y el hidrógeno gaseoso no puedan difundirse y conducir a la recombinación del H 2 y el O 2−. En la interfaz electrolito-ánodo, los iones de oxígeno se oxidan para formar oxígeno gaseoso puro, que se recoge en la superficie del ánodo. [8]
Las celdas de electrolizadores 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.
El electrolito más común, nuevamente similar a las celdas 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). El dióxido de zirconio se utiliza 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. [9]Algunas otras opciones comunes para SOEC son la zirconia estabilizada con Scandia (ScSZ), los electrolitos a base de ceria o los materiales de galato de lantano. A pesar de la similitud del material con las celdas de combustible de óxido sólido, las condiciones de operación 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 del electrodo de oxígeno/electrolito. [10] 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. [11]
