miniatura|288x288px|Pila de cel·les SOEC 60. Una cel·la electrolitzadora d'òxid sòlid (CEOS) és una cel·la de combustible d'òxid sòlid que funciona en mode regeneratiu per aconseguir l'electròlisi de l'aigua (i/o diòxid de carboni) mitjançant l'ús d'un electròlit d'òxid sòlid, o ceràmic, per produir gas hidrogen (i/o monòxid de carboni) i oxigen. La producció d'hidrogen pur és atractiva perquè és un combustible net que es pot emmagatzemar, cosa que el converteix en una alternativa potencial a les bateries, el metà i altres fonts d'energia (vegeu economia de l'hidrogen). L'electròlisi és actualment el mètode més prometedor de producció d'hidrogen a partir de l'aigua a causa de l'alta eficiència de conversió i l'aportació d'energia relativament baixa requerida en comparació amb els mètodes termoquímics i fotocatalítics.

Principi Les cel·les electrolítiques d'òxid sòlid funcionen a temperatures que permeten que es produeixi l'electròlisi a alta temperatura, normalment entre 500 i 850 °C. Aquestes temperatures de funcionament són similars a les condicions d'una pila de combustible d'òxid sòlid. La reacció neta de la pila produeix gasos hidrogen i oxigen. Les reaccions per a un mol d'aigua es mostren a continuació, amb l'oxidació dels ions d'òxid que es produeix a l'ànode i la reducció de l'aigua que es produeix al càtode.

Ànode: 2 O 2− → O 2 + 4 e −

Càtode: H₂O + 2e− → H₂ + O₂−

Reacció neta: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂

Electròlisi de l'aigua a 298 K (25 °C) requereix 285,83 kJ d'energia per mol perquè es produeixi, i la reacció és cada cop més endotèrmica amb l'augment de la temperatura. Tanmateix, la demanda d'energia es pot reduir a causa de l'escalfament per Joule d'una cel·la d'electròlisi, que es pot utilitzar en el procés de divisió de l'aigua a altes temperatures. S'està investigant per afegir calor de fonts de calor externes com ara col·lectors solars tèrmics de concentració i fonts geotèrmiques.

Operació La funció general de la cel·la electrolitzadora és dividir l'aigua en forma de vapor en H2 i O2 purs. El vapor s'introdueix al càtode porós. Quan s'aplica un voltatge, el vapor es mou cap a la interfície càtode-electròlit i es redueix per formar H2 pur i ions d'oxigen. L'hidrogen gasós es difon de nou a través del càtode i es recull a la seva superfície com a combustible d'hidrogen, mentre que els ions d'oxigen es condueixen a través de l'electròlit dens. L'electròlit ha de ser prou dens perquè el vapor i l'hidrogen gasós no puguin difondre's a través d'ell i conduir a la recombinació de l'H2 i l'O2−. A la interfície electròlit-ànode, els ions d'oxigen s'oxiden per formar oxigen gasós pur, que es recull a la superfície de l'ànode.

Materials Les cel·les electrolitzadores d'òxid sòlid segueixen la mateixa construcció que una pila de combustible d'òxid sòlid, que consisteix en un elèctrode de combustible (càtode), un elèctrode d'oxigen (ànode) i un electròlit d'òxid sòlid.

Electròlit L'electròlit més comú, similar a les piles de combustible d'òxid sòlid, és un conductor iònic dens que consisteix en ZrO2 dopat amb 8 mol-% Y2O3 (també conegut com a YSZ, zircònia estabilitzada amb itri). El diòxid de zirconi s'utilitza per la seva alta resistència i alta temperatura de fusió (aproximadament 2700 °C) i una excel·lent resistència a la corrosió. S'afegeix òxid d'itri(III) (Y2O3) per mitigar la transició de fase de la fase tetragonal a la monoclínica en un refredament ràpid, cosa que pot provocar esquerdes i disminuir les propietats conductores de l'electròlit causant dispersió. Algunes altres opcions comunes per a SOEC són la zircònia estabilitzada amb Scandia (ScSZ), els electròlits basats en cèria o els materials de galat de lantà. Malgrat la similitud del material amb les piles de combustible d'òxid sòlid, les condicions de funcionament són diferents, cosa que provoca problemes com ara altes concentracions de vapor a l'elèctrode de combustible i altes pressions parcials d'oxigen a la interfície electròlit/elèctrode d'oxigen. Un estudi recent va trobar que el cicle periòdic d'una cel·la entre els modes electrolitzador i pila de combustible reduïa l'acumulació de pressió parcial d'oxigen i augmentava dràsticament la vida útil de la cel·la electrolitzadora.

Elèctrode de combustible (càtode) El material d'elèctrode de combustible més comú és un YSZ dopat amb Ni. Tanmateix, les altes pressions parcials de vapor i les baixes pressions parcials d'hidrogen a la interfície Ni-YSZ provoquen l'oxidació del níquel, cosa que resulta en la degradació del catalitzador. El lantà-estronci-manganès (LSM) de tipus perovskita també s'utilitza habitualment com a material de càtode. Estudis recents han descobert que el dopatge de LSM amb escandi per formar LSMS promou la mobilitat dels ions d'òxid al càtode, augmentant la cinètica de reducció a la interfície amb l'electròlit i, per tant, conduint a un rendiment més alt a baixes temperatures que les cel·les LSM tradicionals. Tanmateix, cal un major desenvolupament dels paràmetres del procés de sinterització per evitar la precipitació d'òxid d'escandi a la xarxa LSM. Aquestes partícules precipitades són problemàtiques perquè poden impedir la conducció d'electrons i ions. En particular, s'està investigant la temperatura de processament i la concentració d'escandi a la xarxa LSM per optimitzar les propietats del càtode LSMS. S'estan investigant nous materials com el cromat de lantà-estronci-manganès (LSCM), que ha demostrat ser més estable en condicions d'electròlisi. L'LSCM té una alta estabilitat redox, que és crucial especialment a la interfície amb l'electròlit. L'LCSM dopat amb escandi (LSCMS) també s'està investigant com a material de càtode a causa de la seva alta conductivitat iònica. Tanmateix, l'element de terres rares introdueix un cost de materials significatiu i s'ha descobert que provoca una lleugera disminució de la conductivitat mixta global. No obstant això, els materials LCSMS han demostrat una alta eficiència a temperatures tan baixes com 700 °C.

Elèctrode d'oxigen (ànode) El manganat de lantà i estronci (LSM) és el material d'elèctrode d'oxigen més comú. L'LSM ofereix un alt rendiment en condicions d'electròlisi a causa de la generació de vacants d'oxigen sota polarització anòdica que afavoreixen la difusió d'oxigen. A més, es va descobrir que la impregnació de l'elèctrode LSM amb nanopartícules de CeO2 (GDC) dopades amb Gd augmentava la vida útil de la cel·la evitant la delaminació a la interfície elèctrode/electròlit. Cal explorar més a fons el mecanisme exacte de com passa això. En un estudi del 2010, es va descobrir que el niquelat de neodimi com a material d'ànode proporcionava 1,7 vegades la densitat de corrent dels ànodes LSM típics quan s'integrava en un SOEC comercial i funcionava a 700 °C, i aproximadament 4 vegades la densitat de corrent quan funciona a 800 °C. Es postula que l'augment del rendiment es deu a una major "sobreestoquimia" d'oxigen en el níquelat de neodimi, cosa que el converteix en un conductor eficaç tant d'ions com d'electrons.

Consideracions Els avantatges de les piles de combustible regeneratives basades en òxid sòlid inclouen altes eficiències, ja que no estan limitades per l'eficiència de Carnot. Els avantatges addicionals inclouen l'estabilitat a llarg termini, la flexibilitat del combustible, les baixes emissions i els baixos costos operatius. Tanmateix, el major desavantatge és l'alta temperatura de funcionament, que resulta en llargs temps d'arrencada i de rodatge. L'alta temperatura de funcionament també provoca problemes de compatibilitat mecànica, com ara desajustament d'expansió tèrmica i problemes d'estabilitat química, com ara la difusió entre capes de material de la cel·la

En principi, el procés de qualsevol pila de combustible es podria invertir, a causa de la reversibilitat inherent de les reaccions químiques. Tanmateix, una pila de combustible determinada normalment està optimitzada per funcionar en un mode i pot no estar construïda de manera que es pugui operar a l'inrevés. Les piles de combustible que funcionen a l'inrevés poden no ser sistemes gaire eficients tret que estiguin construïdes per fer-ho, com en el cas de les cel·les electrolitzadores d'òxid sòlid, els electrolitzadors d'alta pressió, les piles de combustible regeneratives unificades i les piles de combustible regeneratives. Tanmateix, actualment s'està duent a terme una investigació per investigar sistemes en què una pila d'òxid sòlid es pugui fer funcionar en qualsevol direcció de manera eficient.

Aplicacions Els SOEC tenen possibles aplicacions en la producció de combustible, el reciclatge de diòxid de carboni i la síntesi de productes químics. A més de la producció d'hidrogen i oxigen, un SOEC es podria utilitzar per crear gas de síntesi electrolitzant vapor d'aigua i diòxid de carboni. S'han instal·lat SOEC a escala de megawatts a Rotterdam, utilitzant calor residual industrial per assolir la seva temperatura de funcionament de 850 °C.

Recerca El 2014, el MIT va provar amb èxit un dispositiu utilitzat a l'experiment Mars Oxygen ISRU al rover Perseverance com a mitjà per produir oxigen tant per al sustent humà com per a propulsor de coets amb oxigen líquid. L'abril de 2021, la NASA va afirmar que havia produït amb èxit 1 galó d'oxigen equivalent a la Terra (4 i 5 grams d'oxigen a Mart) a partir de CO2 a l'atmosfera de Mart.U.S. Air Force accepts first delivery of Raytheon Miniature Air Launched Decoy

Referències

Categoria:Electròlisi Categoria:Hidrogen