التقدم والتحليل الاقتصادي لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للأكاسيد الصلبة

التقدم والتحليل الاقتصادي لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للأكاسيد الصلبة

يستخدم مُحلِّل الأكسيد الصلب (SOE) بخار الماء عالي الحرارة (600-900 درجة مئوية) للتحليل الكهربائي، وهو أكثر كفاءة من المُحلِّل القلوي ومُحلِّل البروتون الكهربائي (PEM). في ستينيات القرن الماضي، بدأت الولايات المتحدة وألمانيا بإجراء أبحاث على مُحلِّل الأكسيد الصلب (SOE) ببخار الماء عالي الحرارة. يوضح الشكل 4 مبدأ عمل مُحلِّل الأكسيد الصلب. يدخل الهيدروجين المُعاد تدويره وبخار الماء إلى نظام التفاعل من الأنود. يُحلَّل بخار الماء كهربائيًا إلى هيدروجين عند الكاثود. ينتقل الأكسجين الناتج عن الكاثود عبر الإلكتروليت الصلب إلى الأنود، حيث يتحد مُكوِّنًا الأكسجين ومُطلِقًا الإلكترونات.

بخلاف الخلايا التحليلية القلوية وخلايا غشاء التبادل البروتوني، يتفاعل قطب SOE مع ملامسة بخار الماء، ويواجه تحدي تعظيم مساحة السطح البيني بين القطب وملامسة بخار الماء. لذلك، يتميز قطب SOE عادةً ببنية مسامية. يهدف التحليل الكهربائي لبخار الماء إلى تقليل كثافة الطاقة وخفض تكلفة تشغيل التحليل الكهربائي التقليدي للماء السائل. في الواقع، على الرغم من أن إجمالي متطلبات الطاقة لتفاعل تحلل الماء تزداد قليلاً مع ارتفاع درجة الحرارة، إلا أن متطلبات الطاقة الكهربائية تنخفض بشكل ملحوظ. مع ارتفاع درجة حرارة التحليل الكهربائي، يُوفر جزء من الطاقة المطلوبة على شكل حرارة. يستطيع قطب SOE إنتاج الهيدروجين بوجود مصدر حرارة عالي الحرارة. ونظرًا لإمكانية تسخين المفاعلات النووية المبردة بالغاز عالية الحرارة إلى 950 درجة مئوية، يمكن استخدام الطاقة النووية كمصدر للطاقة لقطب SOE. في الوقت نفسه، تُظهر الأبحاث أن الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الحرارية الأرضية، لديها أيضًا إمكانية استخدامها كمصدر حرارة للتحليل الكهربائي بالبخار. يمكن أن يؤدي التشغيل عند درجات حرارة عالية إلى خفض جهد البطارية وزيادة معدل التفاعل، ولكنه يواجه أيضًا تحدي الاستقرار الحراري للمادة وعزلها. إضافةً إلى ذلك، يُعد الغاز الناتج عن الكاثود خليطًا من الهيدروجين، والذي يتطلب مزيدًا من الفصل والتنقية، مما يزيد من التكلفة مقارنةً بالتحليل الكهربائي التقليدي للماء السائل. يُقلل استخدام السيراميك الموصل للبروتون، مثل زركونات السترونشيوم، من تكلفة التحليل الكهربائي بالبخار. يُظهر زركونات السترونشيوم موصلية ممتازة للبروتون عند حوالي 700 درجة مئوية، وهو مُساعد للكاثود على إنتاج هيدروجين عالي النقاء، مما يُبسط جهاز التحليل الكهربائي بالبخار.

أفاد يان وآخرون [6] أن أنبوب سيراميك الزركونيا المثبت بأكسيد الكالسيوم قد استُخدم كـ SOE للهيكل الداعم، وطُلي السطح الخارجي بطبقة رقيقة (أقل من 0.25 مم) من بيروفسكايت اللانثانوم المسامي كأنود، وسيرميت أكسيد الكالسيوم المستقر Ni/Y2O3 ككاثود. عند 1000 درجة مئوية، و0.4 أمبير/سم2 و39.3 واط من طاقة الإدخال، تبلغ سعة إنتاج الهيدروجين للوحدة 17.6 نيوتن/ساعة. عيب SOE هو الجهد الزائد الناتج عن خسائر الأوم العالية الشائعة عند الترابطات بين الخلايا، والتركيز العالي للجهد الزائد بسبب قيود نقل انتشار البخار. في السنوات الأخيرة، جذبت الخلايا الكهروليتية المستوية الكثير من الاهتمام [7-8]. وعلى النقيض من الخلايا الأنبوبية، تجعل الخلايا المسطحة التصنيع أكثر إحكاما وتحسن كفاءة إنتاج الهيدروجين [6]. في الوقت الحاضر، فإن العائق الرئيسي أمام التطبيق الصناعي لـ SOE هو الاستقرار الطويل الأمد للخلية التحليلية [8]، وقد تتسبب في مشاكل شيخوخة الأقطاب الكهربائية وتعطيلها.