Napredak i ekonomska analiza proizvodnje vodika elektrolizom čvrstih oksida

Napredak i ekonomska analiza proizvodnje vodika elektrolizom čvrstih oksida

Elektrolizer čvrstog oksida (SOE) koristi vodenu paru visoke temperature (600 ~ 900°C) za elektrolizu, što je efikasnije od alkalnog elektrolizera i PEM elektrolizera. Tokom 1960-ih, Sjedinjene Američke Države i Njemačka su počele provoditi istraživanja o SOE vodenoj pari visoke temperature. Princip rada SOE elektrolizera prikazan je na slici 4. Reciklirani vodik i vodena para ulaze u reakcijski sistem iz anode. Vodena para se elektrolizira u vodik na katodi. O2 koji proizvodi katoda kreće se kroz čvrsti elektrolit do anode, gdje se rekombinira i formira kisik, oslobađajući elektrone.

Za razliku od alkalnih i elektrolitskih ćelija s membranom za protonsku izmjenu, SOE elektroda reagira s kontaktom vodene pare i suočava se s izazovom maksimiziranja površine međupovršine između elektrode i kontakta vodene pare. Stoga, SOE elektroda općenito ima poroznu strukturu. Svrha elektrolize vodene pare je smanjenje energetskog intenziteta i smanjenje operativnih troškova konvencionalne elektrolize tekuće vode. U stvari, iako se ukupna potrebna energija za reakciju razgradnje vode neznatno povećava s porastom temperature, potreba za električnom energijom značajno se smanjuje. Kako se temperatura elektrolize povećava, dio potrebne energije se isporučuje kao toplina. SOE je sposoban proizvoditi vodik u prisustvu izvora topline visoke temperature. Budući da se visokotemperaturni plinom hlađeni nuklearni reaktori mogu zagrijati do 950°C, nuklearna energija se može koristiti kao izvor energije za SOE. Istovremeno, istraživanja pokazuju da obnovljiva energija, poput geotermalne energije, također ima potencijal kao izvor topline za parnu elektrolizu. Rad na visokoj temperaturi može smanjiti napon baterije i povećati brzinu reakcije, ali se također suočava s izazovom termičke stabilnosti materijala i brtvljenja. Osim toga, plin koji proizvodi katoda je smjesa vodika, koju je potrebno dodatno odvojiti i pročistiti, što povećava troškove u usporedbi s konvencionalnom elektrolizom tekuće vode. Upotreba keramike koja provodi protone, poput stroncij cirkonata, smanjuje troškove SOE. Stroncij cirkonat pokazuje odličnu protonsku provodljivost na oko 700°C i pogoduje katodi za proizvodnju vodika visoke čistoće, pojednostavljujući uređaj za elektrolizu parom.

Yan i saradnici [6] izvijestili su da je cirkonijumska keramička cijev stabilizirana kalcijum oksidom korištena kao SOE noseće strukture, vanjska površina je obložena tankim (manje od 0,25 mm) poroznim lantan perovskitom kao anodom i Ni/Y2O3 stabilnim kalcijum oksidnim cermetom kao katodom. Na 1000°C, 0,4A/cm2 i ulaznoj snazi ​​od 39,3W, kapacitet proizvodnje vodika jedinice je 17,6NL/h. Nedostatak SOE je prenapon koji nastaje zbog visokih gubitaka otpora koji su uobičajeni na međusobnim vezama između ćelija, te visoka koncentracija prenapona zbog ograničenja transporta difuzije pare. Posljednjih godina, planarne elektrolitičke ćelije privukle su mnogo pažnje [7-8]. Za razliku od cjevastih ćelija, ravne ćelije čine proizvodnju kompaktnijom i poboljšavaju efikasnost proizvodnje vodika [6]. Trenutno je glavna prepreka industrijskoj primjeni SOE dugoročna stabilnost elektrolitičke ćelije [8], a mogu nastati i problemi starenja i deaktivacije elektrode.