Pokrok a ekonomická analýza výroby vodíku elektrolýzou pevných oxidů

Pokrok a ekonomická analýza výroby vodíku elektrolýzou pevných oxidů

Elektrolyzér na bázi tuhých oxidů (SOE) využívá k elektrolýze vodní páru o vysoké teplotě (600 ~ 900 °C), která je účinnější než alkalický elektrolyzér a PEM elektrolyzér. V 60. letech 20. století začaly Spojené státy a Německo provádět výzkum SOE s vodní párou o vysoké teplotě. Princip činnosti elektrolyzéru SOE je znázorněn na obrázku 4. Recyklovaný vodík a vodní pára vstupují do reakčního systému z anody. Vodní pára se elektrolyzuje na vodík na katodě. O2 produkovaný katodou se pohybuje přes pevný elektrolyt k anodě, kde se rekombinuje za vzniku kyslíku a uvolňuje elektrony.

Na rozdíl od alkalických a protonovo-výměnných membránových elektrolytických článků reaguje elektroda SOE s kontaktem vodní páry a čelí výzvě maximalizovat plochu rozhraní mezi elektrodou a kontaktem vodní páry. Proto má elektroda SOE obecně porézní strukturu. Účelem elektrolýzy vodní páry je snížit energetickou náročnost a provozní náklady konvenční elektrolýzy kapalné vody. Ačkoli celková energetická náročnost reakce rozkladu vody se s rostoucí teplotou mírně zvyšuje, potřeba elektrické energie výrazně klesá. S rostoucí teplotou elektrolytu se část potřebné energie dodává jako teplo. SOE je schopna produkovat vodík za přítomnosti vysokoteplotního zdroje tepla. Vzhledem k tomu, že vysokoteplotní plynem chlazené jaderné reaktory lze zahřát na 950 °C, lze jadernou energii využít jako zdroj energie pro SOE. Výzkum zároveň ukazuje, že obnovitelná energie, jako je geotermální energie, má také potenciál jako zdroj tepla pro parní elektrolýzu. Provoz při vysoké teplotě může snížit napětí baterie a zvýšit reakční rychlost, ale také čelí výzvě tepelné stability materiálu a jeho utěsnění. Kromě toho je plyn produkovaný katodou směsí vodíku, kterou je třeba dále oddělovat a čistit, což zvyšuje náklady ve srovnání s konvenční elektrolýzou kapalné vody. Použití protonově vodivé keramiky, jako je zirkoničitan strontnatý, snižuje náklady na SOE. Zirkoničitan strontnatý vykazuje vynikající protonovou vodivost při teplotě okolo 700 °C a napomáhá katodě produkovat vysoce čistý vodík, což zjednodušuje zařízení pro parní elektrolýzu.

Yan a kol. [6] uvádějí, že jako SOE nosné konstrukce byla použita zirkoničitá keramická trubice stabilizovaná oxidem vápenatým, vnější povrch byl potažen tenkým (méně než 0,25 mm) porézním lanthanovým perovskitem jako anodou a cermetem ze stabilního oxidu vápenatého Ni/Y2O3 jako katodou. Při teplotě 1000 °C, proudu 0,4 A/cm2 a vstupním výkonu 39,3 W je výrobní kapacita vodíku jednotky 17,6 NL/h. Nevýhodou SOE je přepětí vyplývající z vysokých ohmových ztrát, které jsou běžné na propojeních mezi články, a vysoká koncentrace přepětí v důsledku omezení difuzního transportu par. V posledních letech přitahují planární elektrolytické články velkou pozornost [7-8]. Na rozdíl od trubkových článků ploché články umožňují kompaktnější výrobu a zlepšují účinnost výroby vodíku [6]. V současné době je hlavní překážkou průmyslového využití SOE dlouhodobá stabilita elektrolytického článku [8] a mohou být způsobeny problémy se stárnutím a deaktivací elektrod.