Πρόοδος και οικονομική ανάλυση της παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση στερεών οξειδίων
Ο ηλεκτρολύτης στερεού οξειδίου (SOE) χρησιμοποιεί υδρατμούς υψηλής θερμοκρασίας (600 ~ 900°C) για ηλεκτρόλυση, η οποία είναι πιο αποτελεσματική από τον αλκαλικό ηλεκτρολύτη και τον ηλεκτρολύτη PEM. Τη δεκαετία του 1960, οι Ηνωμένες Πολιτείες και η Γερμανία άρχισαν να διεξάγουν έρευνα για τον SOE υδρατμών υψηλής θερμοκρασίας. Η αρχή λειτουργίας του ηλεκτρολύτη SOE φαίνεται στο Σχήμα 4. Ανακυκλωμένο υδρογόνο και υδρατμοί εισέρχονται στο σύστημα αντίδρασης από την άνοδο. Οι υδρατμοί ηλεκτρολύονται σε υδρογόνο στην κάθοδο. Το O2 που παράγεται από την κάθοδο μετακινείται μέσω του στερεού ηλεκτρολύτη στην άνοδο, όπου ανασυνδυάζεται για να σχηματίσει οξυγόνο και να απελευθερώσει ηλεκτρόνια.
Σε αντίθεση με τα αλκαλικά και τα ηλεκτρολυτικά στοιχεία μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, το ηλεκτρόδιο SOE αντιδρά με την επαφή υδρατμών και αντιμετωπίζει την πρόκληση της μεγιστοποίησης της επιφάνειας διεπιφάνειας μεταξύ του ηλεκτροδίου και της επαφής υδρατμών. Επομένως, το ηλεκτρόδιο SOE έχει γενικά πορώδη δομή. Ο σκοπός της ηλεκτρόλυσης υδρατμών είναι η μείωση της ενεργειακής έντασης και το λειτουργικό κόστος της συμβατικής ηλεκτρόλυσης υγρού νερού. Στην πραγματικότητα, αν και η συνολική ενεργειακή απαίτηση της αντίδρασης αποσύνθεσης νερού αυξάνεται ελαφρώς με την αύξηση της θερμοκρασίας, η ηλεκτρική απαίτηση μειώνεται σημαντικά. Καθώς η ηλεκτρολυτική θερμοκρασία αυξάνεται, μέρος της απαιτούμενης ενέργειας παρέχεται ως θερμότητα. Το SOE είναι ικανό να παράγει υδρογόνο παρουσία πηγής θερμότητας υψηλής θερμοκρασίας. Δεδομένου ότι οι πυρηνικοί αντιδραστήρες υψηλής θερμοκρασίας που ψύχονται με αέριο μπορούν να θερμανθούν στους 950°C, η πυρηνική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ενέργειας για το SOE. Ταυτόχρονα, η έρευνα δείχνει ότι η ανανεώσιμη ενέργεια όπως η γεωθερμική ενέργεια έχει επίσης τη δυνατότητα ως πηγή θερμότητας της ηλεκτρόλυσης ατμού. Η λειτουργία σε υψηλή θερμοκρασία μπορεί να μειώσει την τάση της μπαταρίας και να αυξήσει τον ρυθμό αντίδρασης, αλλά αντιμετωπίζει επίσης την πρόκληση της θερμικής σταθερότητας και της στεγανοποίησης του υλικού. Επιπλέον, το αέριο που παράγεται από την κάθοδο είναι ένα μείγμα υδρογόνου, το οποίο χρειάζεται περαιτέρω διαχωρισμό και καθαρισμό, αυξάνοντας το κόστος σε σύγκριση με τη συμβατική ηλεκτρόλυση υγρού νερού. Η χρήση κεραμικών που αγώγουν πρωτόνια, όπως το ζιρκονικό στρόντιο, μειώνει το κόστος του SOE. Το ζιρκονικό στρόντιο παρουσιάζει εξαιρετική αγωγιμότητα πρωτονίων στους περίπου 700°C και ευνοεί την παραγωγή υδρογόνου υψηλής καθαρότητας από την κάθοδο, απλοποιώντας τη συσκευή ηλεκτρόλυσης ατμού.
Οι Yan et al. [6] ανέφεραν ότι ως SOE υποστηρικτικής δομής χρησιμοποιήθηκε κεραμικός σωλήνας ζιρκονίου σταθεροποιημένος με οξείδιο του ασβεστίου, η εξωτερική επιφάνεια επικαλύφθηκε με λεπτό (λιγότερο από 0,25 mm) πορώδες περοβσκίτη λανθανίου ως άνοδο και κεραμικό οξείδιο του ασβεστίου σταθερό σε Ni/Y2O3 ως κάθοδο. Στους 1000°C, 0,4A/cm2 και ισχύ εισόδου 39,3W, η ικανότητα παραγωγής υδρογόνου της μονάδας είναι 17,6NL/h. Το μειονέκτημα του SOE είναι η υπέρταση που προκύπτει από τις υψηλές απώλειες ohm που είναι συχνές στις διασυνδέσεις μεταξύ των κυψελών και η υψηλή συγκέντρωση υπέρτασης λόγω των περιορισμών στη μεταφορά διάχυσης ατμών. Τα τελευταία χρόνια, τα επίπεδα ηλεκτρολυτικά κύτταρα έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή [7-8]. Σε αντίθεση με τα σωληνωτά κύτταρα, τα επίπεδα κύτταρα κάνουν την κατασκευή πιο συμπαγή και βελτιώνουν την απόδοση παραγωγής υδρογόνου [6]. Προς το παρόν, το κύριο εμπόδιο για τη βιομηχανική εφαρμογή του SOE είναι η μακροπρόθεσμη σταθερότητα του ηλεκτρολυτικού κελιού [8] και μπορεί να προκληθούν προβλήματα γήρανσης και απενεργοποίησης των ηλεκτροδίων.
Ώρα δημοσίευσης: 06 Φεβρουαρίου 2023