Production d'hydrogène à partir de l'eau par électrolyse d'oxydes solides

Production d'hydrogène à partir de l'eau par électrolyse d'oxydes solides

La cellule d'électrolyse à oxyde solide (SOEC) est une technologie d'électrolyse de l'eau à haute température qui utilise le YSZ et d'autres matériaux comme électrolytes pour produire de l'hydrogène par des réactions anodiques et cathodiques. Il présente les avantages d'une faible consommation d'énergie et d'un rendement élevé, et convient à la récupération de chaleur perdue, mais est confronté à des problèmes de coût et de stabilité élevés.

L'électrolyse des oxydes solides de l'eau pour produire de l'hydrogène est une technologie d'électrolyse de l'eau à haute température. D'après le principe technique, la SOEC peut être divisée en SOEC à conduction ionique oxygène et SOEC à conduction protonique.

(Principe de fonctionnement SOEC de conduction ionique oxygène)

(Principe de fonctionnement du SOEC conducteur de protons)

Le SOEC conducteur d'ions oxygène utilise un oxyde solide comme électrolyte et les réactions chimiques suivantes se produisent respectivement à l'anode et à la cathode :
Anode : 2O²ˉ=O2+ 4e-
Cathode : 2H2O+4e-=2H2+2O²ˉ

Les composants de base du SOEC comprennent un électrolyte dense et une électrode poreuse, où l'électrolyte est généralement un matériau en zircone stabilisée à l'yttria (YSZ). À des températures élevées de 600 à 1 000 °C, le YSZ présente une excellente conductivité ionique et une excellente stabilité thermochimique, ce qui en fait le matériau électrolytique préféré pour les SOEC.

Outre le YSZ, d’autres matériaux sont également largement utilisés dans les électrolytes SOEC. Par exemple, la zircone stabilisée au scandia (ScSZ) et les électrolytes à base d'oxyde de cérium, ces matériaux présentent également de bonnes performances dans certaines conditions. De plus, les électrolytes à base de gallate de lanthane attirent progressivement l’attention et l’application de ces matériaux offre une variété de choix pour les électrolytes SOEC.

En termes de matériaux d'électrode, les électrodes à hydrogène utilisent généralement des composites métal-céramique Ni-YSZ, qui ont non seulement une bonne conductivité, mais fournissent également une activité catalytique suffisante pour favoriser la génération d'hydrogène. Les électrodes à oxygène utilisent principalement des composites de gallate de lanthane dopé au strontium (LSM) et de YSZ, qui peuvent catalyser efficacement la génération d'oxygène et maintenir la stabilité à haute température.

La structure du SOEC est principalement divisée en deux types : tubulaire et plate. Le SOEC tubulaire est le type le plus ancien à être étudié. Son principal avantage est qu’il ne nécessite pas de matériaux d’étanchéité supplémentaires et que la méthode de connexion est relativement simple. Cependant, le SOEC tubulaire présente également des inconvénients tels qu'un coût élevé et une faible densité de puissance. En revanche, le SOEC plat présente les avantages d’une densité de puissance élevée et d’un faible coût, ce qui en fait un point chaud de la recherche actuelle. Cependant, le SOEC plat présente de grands défis en matière d'étanchéité et il est nécessaire de surmonter la stabilité des matériaux d'étanchéité dans des conditions de température élevée.

La température de fonctionnement du SOEC est généralement aussi élevée que 600 à 1 000 ℃ et l'enthalpie de la vapeur d'eau à haute température est élevée, de sorte que la tension d'électrolyse du SOEC peut être aussi basse que 1,3 V, tandis que la tension d'électrolyse de l'électrolyse alcaline ou protonique L'électrolyse à membrane échangeuse (PEM) est généralement supérieure à 1,8 V. Par conséquent, SOEC présente des avantages évidents en termes de consommation d’énergie. Sous réserve d’une consommation d’énergie minimale, 3 kWh d’électricité peuvent produire 1 mètre cube standard d’hydrogène. Cependant, le SOEC nécessite une consommation d’énergie supplémentaire pour produire de la vapeur d’eau à haute température, ce qui présente des avantages uniques dans certains scénarios d’application spéciaux, tels que la production d’hydrogène nucléaire.

Bien que le SOEC présente des avantages évidents en termes de consommation d'énergie et d'efficacité, sa température de fonctionnement élevée pose également certains défis et problèmes. La première est la question du coût. Le coût des matériaux et des procédés de fabrication à haute température est élevé. La seconde est le long temps de démarrage et d’arrêt. Étant donné que le SOEC doit atteindre une température élevée pour fonctionner, son processus de démarrage et d’arrêt est relativement lent. En outre, la durée de vie est également un problème clé qui doit être résolu. Dans des conditions de fonctionnement à haute température, la stabilité et la durabilité du matériau sont confrontées à des défis.

À l'heure actuelle, la technologie de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau et des oxydes solides en est encore au stade de démonstration et de vérification et n'a pas encore été mise en œuvre dans des applications commerciales à grande échelle. Malgré les nombreux défis, la technologie SOEC a montré un grand potentiel dans des domaines spécifiques. Par exemple, dans l'utilisation de la chaleur résiduelle des centrales nucléaires et la récupération de la chaleur résiduelle industrielle à haute température, la technologie SOEC peut convertir efficacement ces sources de chaleur à haute température en hydrogène, permettant ainsi une utilisation et une conversion efficaces de l'énergie.

À l'avenir, grâce aux progrès continus de la science des matériaux et des processus de fabrication, la technologie SOEC devrait surmonter les goulots d'étranglement techniques actuels et atteindre une efficacité plus élevée et des coûts réduits. D'autres recherches et développements se concentreront sur l'amélioration des performances des matériaux d'électrolyte et d'électrode, sur la prolongation de la durée de vie des équipements et sur l'optimisation de la conception globale et des paramètres de fonctionnement du système. Grâce à des améliorations et des innovations à multiples facettes, la technologie SOEC devrait occuper une position importante dans la future économie de l’hydrogène et devenir un moyen important d’utilisation des énergies renouvelables et de production d’hydrogène.