التقدم والتحليل الاقتصادي لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للأكاسيد الصلبة

التقدم والتحليل الاقتصادي لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للأكاسيد الصلبة

يستخدم محلل الأكسيد الصلب (SOE) بخار الماء عالي الحرارة (600-900 درجة مئوية) للتحليل الكهربائي، وهو أكثر كفاءة من محلل الأكسيد القلوي ومحلل PEM. في ستينيات القرن الماضي، بدأت الولايات المتحدة وألمانيا أبحاثًا حول محلل الأكسيد الصلب الذي يعمل ببخار الماء عالي الحرارة. يوضح الشكل 4 مبدأ عمل محلل الأكسيد الصلب. يدخل الهيدروجين المعاد تدويره وبخار الماء إلى نظام التفاعل من المصعد. يُحلل بخار الماء كهربائيًا إلى هيدروجين عند المهبط. ينتقل الأكسجين الناتج من المهبط عبر الإلكتروليت الصلب إلى المصعد، حيث يتحد معه لتكوين الأكسجين وإطلاق الإلكترونات.

على عكس الخلايا الإلكتروليتية القلوية وخلايا غشاء تبادل البروتونات، يتفاعل قطب التحليل الكهربائي للبخار (SOE) مع بخار الماء، ويواجه تحدي زيادة مساحة التلامس بين القطب وبخار الماء. لذلك، يتميز قطب التحليل الكهربائي للبخار عمومًا ببنية مسامية. يهدف التحليل الكهربائي لبخار الماء إلى تقليل كثافة الطاقة وخفض تكلفة التشغيل مقارنةً بالتحليل الكهربائي التقليدي للماء السائل. في الواقع، على الرغم من أن إجمالي الطاقة المطلوبة لتفاعل تحلل الماء يزداد قليلاً مع ارتفاع درجة الحرارة، إلا أن الطاقة الكهربائية المطلوبة تنخفض بشكل ملحوظ. مع ارتفاع درجة حرارة التحليل الكهربائي، يُستمد جزء من الطاقة المطلوبة على شكل حرارة. يتميز قطب التحليل الكهربائي للبخار بقدرته على إنتاج الهيدروجين بوجود مصدر حراري عالي الحرارة. وبما أن المفاعلات النووية المبردة بالغاز ذات درجة الحرارة العالية يمكن تسخينها إلى 950 درجة مئوية، يمكن استخدام الطاقة النووية كمصدر طاقة لقطب التحليل الكهربائي للبخار. في الوقت نفسه، تُظهر الأبحاث أن الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الحرارية الأرضية، لديها أيضًا إمكانية استخدامها كمصدر حراري للتحليل الكهربائي للبخار. قد يؤدي التشغيل عند درجات حرارة عالية إلى خفض جهد البطارية وزيادة معدل التفاعل، ولكنه يواجه أيضًا تحديات تتعلق بالاستقرار الحراري للمواد وإمكانية منع التسرب. إضافةً إلى ذلك، فإن الغاز الناتج عن المهبط عبارة عن خليط من الهيدروجين، مما يستلزم فصله وتنقيته، الأمر الذي يزيد التكلفة مقارنةً بالتحليل الكهربائي التقليدي للماء السائل. يُسهم استخدام السيراميك الموصل للبروتونات، مثل زركونات السترونتيوم، في خفض تكلفة التحليل الكهربائي للبخار. تُظهر زركونات السترونتيوم موصلية بروتونية ممتازة عند حوالي 700 درجة مئوية، مما يُساعد المهبط على إنتاج هيدروجين عالي النقاء، وبالتالي تبسيط جهاز التحليل الكهربائي للبخار.

أفاد يان وآخرون [6] باستخدام أنبوب سيراميكي من الزركونيا مُثبَّت بأكسيد الكالسيوم كخلية إلكتروليتية صلبة (SOE) في الهيكل الداعم، حيث طُلي سطحه الخارجي بطبقة رقيقة (أقل من 0.25 مم) من بيروفسكايت اللانثانوم المسامي كقطب موجب، وسيراميك أكسيد الكالسيوم المستقر Ni/Y2O3 كقطب سالب. عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية، وكثافة تيار 0.4 أمبير/سم²، وقدرة دخل 39.3 واط، بلغت سعة إنتاج الهيدروجين للوحدة 17.6 لترًا/ساعة. من عيوب الخلايا الإلكتروليتية الصلبة (SOE) الجهد الزائد الناتج عن فقدان المقاومة العالي الشائع في نقاط التوصيل بين الخلايا، وتركيز الجهد الزائد العالي بسبب محدودية نقل بخار الماء. في السنوات الأخيرة، حظيت الخلايا الإلكتروليتية المستوية باهتمام كبير [7-8]. على عكس الخلايا الأنبوبية، تُتيح الخلايا المستوية تصنيعًا أكثر إحكامًا وتحسينًا في كفاءة إنتاج الهيدروجين [6]. في الوقت الحاضر، فإن العقبة الرئيسية أمام التطبيق الصناعي لـ SOE هي الاستقرار طويل المدى للخلية الإلكتروليتية [8]، وقد تحدث مشاكل تقادم الأقطاب الكهربائية وتعطيلها.