Напредък и икономически анализ на производството на водород чрез електролиза на твърди оксиди
Твърдооксидният електролизатор (SOE) използва високотемпературна водна пара (600 ~ 900°C) за електролиза, което е по-ефективно от алкалния електролизатор и PEM електролизатора. През 60-те години на миналия век Съединените щати и Германия започват да провеждат изследвания върху високотемпературния SOE с водна пара. Принципът на работа на SOE електролизатора е показан на Фигура 4. Рециклираният водород и водната пара влизат в реакционната система от анода. Водната пара се електролизира във водород на катода. O2, произведен от катода, се движи през твърдия електролит към анода, където се рекомбинира, за да образува кислород и да освобождава електрони.
За разлика от алкалните и протоннообменните мембранни електролитни клетки, SOE електродът реагира с контакт с водна пара и е изправен пред предизвикателството да се максимизира повърхността на интерфейса между електрода и контакта с водна пара. Следователно, SOE електродът обикновено има пореста структура. Целта на електролизата с водна пара е да се намали енергийната интензивност и да се намалят експлоатационните разходи на конвенционалната електролиза на течна вода. Всъщност, въпреки че общото енергийно изискване за реакцията на разлагане на водата се увеличава леко с повишаване на температурата, необходимото електрическо захранване намалява значително. С повишаване на температурата на електролита, част от необходимата енергия се доставя като топлина. SOE е способен да произвежда водород в присъствието на високотемпературен източник на топлина. Тъй като високотемпературните газово охлаждани ядрени реактори могат да се нагреят до 950°C, ядрената енергия може да се използва като източник на енергия за SOE. В същото време изследванията показват, че възобновяемата енергия, като геотермалната енергия, също има потенциал като източник на топлина за парна електролиза. Работата при висока температура може да намали напрежението на батерията и да увеличи скоростта на реакцията, но е изправена и пред предизвикателството на термичната стабилност и уплътняването на материала. Освен това, газът, произведен от катода, е водородна смес, която трябва да бъде допълнително разделена и пречистена, което увеличава разходите в сравнение с конвенционалната електролиза на течна вода. Използването на протонопроводяща керамика, като стронциев цирконат, намалява разходите за SOE. Стронциевият цирконат показва отлична протонна проводимост при около 700°C и е благоприятен за катода за производство на водород с висока чистота, опростявайки устройството за парна електролиза.
Ян и др. [6] съобщават, че циркониева керамична тръба, стабилизирана с калциев оксид, е използвана като SOE на носеща конструкция, като външната повърхност е покрита с тънък (по-малко от 0,25 мм) порест лантанов перовскит като анод и Ni/Y2O3 стабилен калциев оксиден кермет като катод. При 1000°C, 0,4 A/cm2 и входна мощност 39,3 W, капацитетът за производство на водород на устройството е 17,6 NL/h. Недостатъкът на SOE е пренапрежението, произтичащо от високите омови загуби, които са често срещани при взаимовръзките между клетките, и високата концентрация на пренапрежение поради ограниченията на дифузионния транспорт на пари. През последните години плоските електролитни клетки привлякоха много внимание [7-8]. За разлика от тръбните клетки, плоските клетки правят производството по-компактно и подобряват ефективността на производството на водород [6]. В момента основната пречка за индустриалното приложение на SOE е дългосрочната стабилност на електролитната клетка [8] и могат да бъдат причинени проблеми със стареенето и деактивирането на електрода.
Време на публикуване: 06 февруари 2023 г.