Fremskridt og økonomisk analyse af brintproduktion ved elektrolyse af faste oxider
En fastoxidelektrolysør (SOE) bruger vanddamp ved høj temperatur (600 ~ 900 °C) til elektrolyse, hvilket er mere effektivt end en alkalisk elektrolysør og en PEM-elektrolysør. I 1960'erne begyndte USA og Tyskland at forske i SOE med høj temperatur i vanddamp. Funktionsprincippet for en SOE-elektrolysør er vist i figur 4. Genbrugt hydrogen og vanddamp kommer ind i reaktionssystemet fra anoden. Vanddampen elektrolyseres til hydrogen ved katoden. Den O2, der produceres af katoden, bevæger sig gennem den faste elektrolyt til anoden, hvor den rekombineres for at danne ilt og frigive elektroner.
I modsætning til alkaliske og protonudvekslingsmembranelektrolyseceller reagerer SOE-elektroden med vanddampkontakt og står over for udfordringen med at maksimere grænsefladearealet mellem elektroden og vanddampkontakten. Derfor har SOE-elektroden generelt en porøs struktur. Formålet med vanddampelektrolyse er at reducere energiintensiteten og driftsomkostningerne ved konventionel flydende vandelektrolyse. Faktisk, selvom det samlede energibehov for vandnedbrydningsreaktionen stiger en smule med stigende temperatur, falder det elektriske energibehov betydeligt. Når den elektrolytiske temperatur stiger, tilføres en del af den nødvendige energi som varme. SOE'en er i stand til at producere brint i nærvær af en højtemperaturvarmekilde. Da højtemperatur gaskølede atomreaktorer kan opvarmes til 950 °C, kan kerneenergi bruges som energikilde til SOE'en. Samtidig viser forskningen, at vedvarende energi såsom geotermisk energi også har potentiale som varmekilde til dampelektrolyse. Drift ved høj temperatur kan reducere batterispændingen og øge reaktionshastigheden, men det står også over for udfordringen med materialets termiske stabilitet og forsegling. Derudover er den gas, der produceres af katoden, en hydrogenblanding, som skal separeres og renses yderligere, hvilket øger omkostningerne sammenlignet med konventionel flydende vandelektrolyse. Brugen af protonledende keramik, såsom strontiumzirconat, reducerer omkostningerne ved SOE. Strontiumzirconat udviser fremragende protonledningsevne ved omkring 700 °C og er befordrende for katoden til at producere hydrogen med høj renhed, hvilket forenkler dampelektrolyseanordningen.
Yan et al. [6] rapporterede, at zirkoniumoxidkeramiske rør stabiliseret med calciumoxid blev brugt som SOE i den bærende struktur, hvor den ydre overflade var belagt med tynd (mindre end 0,25 mm) porøs lanthanperovskit som anode og Ni/Y2O3 stabil calciumoxidcermet som katode. Ved 1000 °C, 0,4 A/cm2 og 39,3 W indgangseffekt er enhedens hydrogenproduktionskapacitet 17,6 NL/t. Ulempen ved SOE er overspændingen som følge af høje ohm-tab, der er almindelige ved forbindelserne mellem celler, og den høje overspændingskoncentration på grund af begrænsningerne i dampdiffusionstransport. I de senere år har plane elektrolytiske celler tiltrukket sig stor opmærksomhed [7-8]. I modsætning til rørformede celler gør flade celler fremstillingen mere kompakt og forbedrer hydrogenproduktionseffektiviteten [6]. I øjeblikket er den største hindring for den industrielle anvendelse af SOE den langsigtede stabilitet af den elektrolytiske celle [8], og problemer med elektrodeældning og deaktivering kan være forårsaget.
Opslagstidspunkt: 6. februar 2023