Tahkete oksiidide elektrolüüsi teel vesiniku tootmise edenemine ja majandusanalüüs

Tahkete oksiidide elektrolüüsi teel vesiniku tootmise edenemine ja majandusanalüüs

Tahkeoksiidelektrolüüser (SOE) kasutab elektrolüüsiks kõrge temperatuuriga veeauru (600–900 °C), mis on efektiivsem kui leeliseline elektrolüüser ja PEM-elektrolüüser. 1960. aastatel hakkasid Ameerika Ühendriigid ja Saksamaa uurima kõrge temperatuuriga veeauruga SOE-d. SOE elektrolüüseri tööpõhimõte on näidatud joonisel 4. Anoodilt sisenevad reaktsioonisüsteemi taaskasutatud vesinik ja veeaur. Katoodil elektrolüüsitakse veeaur vesinikuks. Katoodil tekkiv O2 liigub läbi tahke elektrolüüdi anoodile, kus see rekombineerub, moodustades hapnikku ja vabastades elektrone.

Erinevalt leeliselistest ja prootonvahetusmembraaniga elektrolüüsirakkudest reageerib SOE elektrood veeauruga kokkupuutel ning seisab silmitsi väljakutsega maksimeerida elektroodi ja veeauru kokkupuute vaheline piirpind. Seetõttu on SOE elektroodil üldiselt poorne struktuur. Veeauru elektrolüüsi eesmärk on vähendada tavapärase vedela vee elektrolüüsi energiamahukust ja tegevuskulusid. Tegelikult, kuigi vee lagunemisreaktsiooni koguenergiavajadus temperatuuri tõustes veidi suureneb, väheneb elektrienergiavajadus märkimisväärselt. Elektrolüüdi temperatuuri tõustes tarnitakse osa vajalikust energiast soojusena. SOE on võimeline tootma vesinikku kõrge temperatuuriga soojusallika juuresolekul. Kuna kõrge temperatuuriga gaasiga jahutatud tuumareaktoreid saab kuumutada temperatuurini 950 °C, saab tuumaenergiat kasutada SOE energiaallikana. Samal ajal näitavad uuringud, et taastuvenergial, näiteks geotermilisel energial, on potentsiaal ka auru elektrolüüsi soojusallikana. Kõrgel temperatuuril töötamine võib vähendada aku pinget ja suurendada reaktsioonikiirust, kuid see seisab silmitsi ka materjali termilise stabiilsuse ja tihendamise väljakutsega. Lisaks on katoodi poolt toodetud gaas vesiniku segu, mida tuleb täiendavalt eraldada ja puhastada, mis suurendab kulusid võrreldes tavapärase vedela vee elektrolüüsiga. Prootonjuhtiva keraamika, näiteks strontsiumtsirkonaadi kasutamine vähendab SOE maksumust. Strontsiumtsirkonaadil on suurepärane prootonjuhtivus umbes 700 °C juures ja see soodustab katoodil kõrge puhtusastmega vesiniku tootmist, lihtsustades auruelektrolüüsi seadet.

Yan jt [6] teatasid, et tugistruktuuri elektrolüüsielemendina (SOE) kasutati kaltsiumoksiidiga stabiliseeritud tsirkooniumkeraamilist toru, mille välispind kaeti anoodina õhukese (alla 0,25 mm) poorse lantaanperovskiidiga ja katoodina Ni/Y2O3 stabiilse kaltsiumoksiidkermetiga. Temperatuuril 1000 °C, voolutugevusel 0,4 A/cm2 ja sisendvõimsusel 39,3 W on seadme vesiniku tootmisvõimsus 17,6 NL/h. Elektrolüüsielemendi puuduseks on ülepinge, mis tuleneb elementide vahelistes ühendustes levinud suurtest oomi kadudest, ning kõrge ülepinge kontsentratsioon, mis on tingitud auru difusioonitranspordi piiratusest. Viimastel aastatel on palju tähelepanu pälvinud tasapinnalised elektrolüüsielemendid [7-8]. Erinevalt torukujulistest elementidest muudavad lamedad elemendid tootmise kompaktsemaks ja parandavad vesiniku tootmise efektiivsust [6]. Praegu on SOE tööstusliku rakendamise peamiseks takistuseks elektrolüüsielemendi pikaajaline stabiilsus [8] ning see võib põhjustada elektroodide vananemise ja deaktiveerimise probleeme.