پیشرفت و تحلیل اقتصادی تولید هیدروژن از طریق الکترولیز اکسیدهای جامد

پیشرفت و تحلیل اقتصادی تولید هیدروژن از طریق الکترولیز اکسیدهای جامد

الکترولیز اکسید جامد (SOE) از بخار آب با دمای بالا (600 تا 900 درجه سانتیگراد) برای الکترولیز استفاده می‌کند که نسبت به الکترولیز قلیایی و الکترولیز PEM کارآمدتر است. در دهه 1960، ایالات متحده و آلمان شروع به انجام تحقیقات در مورد SOE بخار آب با دمای بالا کردند. اصل کار الکترولیز SOE در شکل 4 نشان داده شده است. هیدروژن و بخار آب بازیافتی از آند وارد سیستم واکنش می‌شوند. بخار آب در کاتد به هیدروژن الکترولیز می‌شود. O2 تولید شده توسط کاتد از طریق الکترولیت جامد به آند حرکت می‌کند، جایی که برای تشکیل اکسیژن و آزاد کردن الکترون‌ها دوباره ترکیب می‌شود.

برخلاف سلول‌های الکترولیتی غشای تبادل پروتون و قلیایی، الکترود SOE با تماس بخار آب واکنش می‌دهد و با چالش به حداکثر رساندن سطح مشترک بین الکترود و تماس بخار آب مواجه است. بنابراین، الکترود SOE عموماً دارای ساختار متخلخل است. هدف از الکترولیز بخار آب، کاهش شدت انرژی و کاهش هزینه عملیاتی الکترولیز آب مایع معمولی است. در واقع، اگرچه کل انرژی مورد نیاز واکنش تجزیه آب با افزایش دما کمی افزایش می‌یابد، اما انرژی الکتریکی مورد نیاز به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. با افزایش دمای الکترولیت، بخشی از انرژی مورد نیاز به صورت گرما تأمین می‌شود. SOE قادر به تولید هیدروژن در حضور یک منبع حرارتی با دمای بالا است. از آنجایی که راکتورهای هسته‌ای با دمای بالا که با گاز خنک می‌شوند را می‌توان تا 950 درجه سانتیگراد گرم کرد، انرژی هسته‌ای می‌تواند به عنوان منبع انرژی برای SOE استفاده شود. در عین حال، تحقیقات نشان می‌دهد که انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی زمین گرمایی نیز پتانسیل استفاده به عنوان منبع حرارتی الکترولیز بخار را دارد. کار در دمای بالا می‌تواند ولتاژ باتری را کاهش داده و سرعت واکنش را افزایش دهد، اما با چالش پایداری حرارتی مواد و آب‌بندی نیز مواجه است. علاوه بر این، گاز تولید شده توسط کاتد، مخلوطی از هیدروژن است که نیاز به جداسازی و خالص‌سازی بیشتر دارد و این امر در مقایسه با الکترولیز آب مایع معمولی، هزینه را افزایش می‌دهد. استفاده از سرامیک‌های رسانای پروتون، مانند زیرکونات استرانسیم، هزینه SOE را کاهش می‌دهد. زیرکونات استرانسیم رسانایی پروتون عالی را در دمای حدود ۷۰۰ درجه سانتیگراد نشان می‌دهد و برای کاتد جهت تولید هیدروژن با خلوص بالا مساعد است و دستگاه الکترولیز بخار را ساده می‌کند.

یان و همکارانش [6] گزارش دادند که لوله سرامیکی زیرکونیا که توسط اکسید کلسیم پایدار شده است، به عنوان SOE ساختار پشتیبان استفاده شد، سطح بیرونی با پروسکایت لانتانیوم متخلخل نازک (کمتر از 0.25 میلی‌متر) به عنوان آند و سرمت اکسید کلسیم پایدار Ni/Y2O3 به عنوان کاتد پوشش داده شد. در دمای 1000 درجه سانتیگراد، 0.4 آمپر بر سانتی‌متر مربع و توان ورودی 39.3 وات، ظرفیت تولید هیدروژن این واحد 17.6 نانولیتر بر ساعت است. عیب SOE، اضافه ولتاژ ناشی از تلفات اهم بالا است که در اتصالات بین سلول‌ها رایج است و غلظت بالای اضافه ولتاژ به دلیل محدودیت‌های انتقال نفوذ بخار. در سال‌های اخیر، سلول‌های الکترولیتی مسطح توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند [7-8]. در مقایسه با سلول‌های لوله‌ای، سلول‌های مسطح، تولید را فشرده‌تر کرده و راندمان تولید هیدروژن را بهبود می‌بخشند [6]. در حال حاضر، مانع اصلی برای کاربرد صنعتی SOE، پایداری طولانی مدت سلول الکترولیتی است [8] و مشکلات پیری و غیرفعال شدن الکترود ممکن است ایجاد شود.