Hidrógeno

Aenert. Research Laboratory news
Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) son una tecnología emergente para convertir energía química en electricidad. Debido a los intensos esfuerzos de investigación dedicados a aumentar la estabilidad y el rendimiento de las SOFC, la tecnología SOFC está experimentando un interés cada vez mayor en todo el mundo. La electrólisis es actualmente el método más prometedor de producción de hidrógeno a partir de agua debido a la alta eficiencia de conversión y al aporte de energía relativamente bajo en comparación con los métodos termoquímicos y fotocatalíticos. Las celdas de electrolizador de óxido sólido funcionan en modo regenerativo para lograr la electrólisis del agua (y/o dióxido de carbono) mediante el uso de un electrolito de óxido sólido o cerámico para producir gas hidrógeno (y/o monóxido de carbono) y oxígeno. La función general de la celda electrolizador es dividir el agua en forma de vapor en H2 y O2 puros. Se introduce vapor en el cátodo poroso. Bajo la influencia del vapor, se mueve hacia la interfaz cátodo-electrolito y se reduce para formar H2 puro y iones de oxígeno. Luego, el gas hidrógeno se difunde nuevamente a través del cátodo y se recoge en su superficie como combustible de hidrógeno, mientras que los iones de oxígeno son conducidos a través del electrolito denso.

Ahora (2023), OxEon Energy, con el apoyo de NETL, se ha basado en la investigación extraplanetaria de la NASA para crear un sistema estable, robusto y de bajo costo capaz de producir hidrógeno a altas presiones, lo que significa que los dispositivos de energía limpia pronto estarán listos para su comercialización. El objetivo de OxEon era construir una celda de electrólisis de óxido sólido (SOEC) que pudiera producir hidrógeno a una presión elevada de 2 a 3 bar. Las SOEC funcionan de manera similar a las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC), pero a la inversa: producen hidrógeno separándolo del agua mediante una corriente eléctrica.

Este proyecto se dedicó a abordar los desafíos comunes que enfrenta la industria SOEC. Mediante la modificación del proceso y los componentes de la celda, lograron mejorar el rendimiento y la estabilidad de la celda, la recuperación de la oxidación del electrodo de combustible, la estabilidad del rendimiento a través de ciclos térmicos y la evaluación del efecto de los contaminantes.

La investigación consistió en probar una pila durante 1.800 horas mientras alternaba entre los modos de operación SOEC y SOFC. La tasa de degradación fue del 0,6% por 1.000 horas en modo SOEC y del 0,3% por 1.000 horas en modo SOFC. El electrodo SOEC también se probó en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico exponiéndolo a vapor durante la noche para oxidar completamente el componente de níquel. El equipo pudo restaurar completamente el rendimiento de la celda simplemente aplicando voltaje sin proporcionar gas hidrógeno externo, lo que demuestra la recuperación de la oxidación. Se descubrió que era de suma importancia mantener el níquel en el electrodo de hidrógeno en un estado metálico para que pudiera recuperarse después de la oxidación por el hidrógeno autogenerado. Antiguamente, una interrupción o alteración de las condiciones del circuito de reciclaje podía provocar una oxidación permanente e irreparable del electrodo de combustible.

Otro logro importante de la investigación fue que la capa que contiene estroncio en la pila SOEC podría eliminarse manteniendo el mismo rendimiento inicial del electrodo, ya que la precipitación, migración y reacción de estroncio con otros componentes de la celda son mecanismos de degradación conocidos para el funcionamiento SOFC/SOEC. Las pruebas realizadas durante varios días también mostraron menos degradación que las células que contienen estroncio.

Además, una pila SOEC probada combinó el electrodo de combustible mejorado y una capa libre de estroncio en el electrodo de oxígeno. La chimenea mostró una recuperación completa del rendimiento después de la oxidación del electrodo de combustible a base de níquel sin requerir la presencia de hidrógeno en la entrada de vapor. Después de cinco ciclos de recuperación de oxidación, la pila se sometió a un ciclo térmico profundo cinco veces desde la temperatura de funcionamiento hasta la temperatura ambiente. La pila no mostró pérdida de rendimiento después de cada ciclo térmico y mantuvo características de baja degradación.

Los científicos trabajan constantemente para encontrar nuevos métodos para la producción de hidrógeno. En 2022, se analizó la síntesis electroquímica a alta temperatura (600 °C) de amoníaco a partir de N2 y H2O a presión atmosférica en reactores tipo celda de electrólisis de óxido sólido (SOEC). Se descubrió que la selección del material catalítico para el electrodo de trabajo es uno de los desafíos más importantes en los procesos electroquímicos. En este estudio, se investigó un cátodo compuesto de óxido de perovskita y una fase de oxinitruro de hierro. Ambas fases se caracterizaron minuciosamente utilizando técnicas de XRD, XPS, espectroscopia de Mössbauer, TPD/TPRxn y conductividad eléctrica de 4 sondas. Los experimentos de actividad electrocatalítica se realizaron en la fase de óxido de perovskita y el cátodo compuesto para estudiar el efecto del uso de un electrodo compuesto sobre la actividad de la celda.

Image: XRD patterns of LSF72, LSF82 and LSF92



Source: Seval Gunduz, Dhruba J. Deka, Matt Ferree, Jaesung Kim, Jean-Marc M. Millet, Anne C. Co and Umit S. Ozkan/ Composite Cathodes with Oxide and Nitride Phases for High-Temperature Electrocatalytic Ammonia Production from Nitrogen and Water/ ECS Advances, Volume 1, Number 1, 28 April 2022/ DOI 10.1149/2754-2734/ac6618/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

En 2022, los científicos analizaron el protocolo de configuración y prueba para la evaluación del rendimiento de las celdas de botón de electrólisis de óxido sólido con soporte metálico (MS-SOEC). Los objetivos de este procedimiento fueron definir un protocolo de prueba estándar, describir la selección de materiales e identificar errores comunes al probar pilas de botón MS-SOEC. Las pruebas incluyeron detalles de preparación y operación específicos de MS-SOEC, una discusión sobre los materiales del sello y del banco de pruebas, protocolos alternativos de sellado y puesta en marcha para un banco de pruebas de metal con sello de vidrio o un banco de pruebas de alúmina con sello adhesivo cerámico, y una discusión sobre las consecuencias de un funcionamiento anormal.

El objetivo de la investigación fue el funcionamiento reproducible de las pilas de botón MS-SOEC en diversas condiciones de funcionamiento. Se conectó una celda de electrólisis de óxido sólido prefabricada con soporte metálico a una malla de platino o níquel con cables conductores en el lado del electrodo de vapor. Luego, la celda se selló en un banco de pruebas (generalmente con pasta de vidrio o adhesivo cerámico). El hidrógeno se humedeció hasta un contenido de vapor específico y se entregó al banco de pruebas a través de un tubo calentado. A continuación se puso en funcionamiento el MS-SOEC.

Image: Schematic and photograph of a MS-SOEC test setup with a heated bubbler as the humidification system



Sources: Fengyu Shen, Martha M. Welander, Michael C. Tucker/ Metal-Supported Solid Oxide Electrolysis Cell Test Standard Operating Procedure/ Front. Energy Res., Sec. Process and Energy Systems Engineering, Volume 10 – 2022, 25 April 2022/  https://doi.org/10.3389/fenrg.2022.817981/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Hay varias ventajas derivadas de la producción de hidrógeno a través de SOEC: La celda ha mejorado el rendimiento y la estabilidad, lo que se adaptará a lo que será necesario para cumplir con los objetivos de costo y rendimiento del Departamento de Energía de EE. UU., incluido el logro de 40.000 horas de funcionamiento. Además, estas mejoras graduales en el rendimiento básico demuestran un camino hacia la producción de hidrógeno de bajo costo.

En vista de la crisis energética, los medios baratos para producir hidrógeno son de gran interés y tienen una gran demanda. La investigación internacional está contribuyendo a satisfacer las necesidades de una creciente economía del hidrógeno.

Por el consejo editorial