Kiinteiden oksidien elektrolyysillä tapahtuvan vedyn tuotannon edistyminen ja taloudellinen analyysi

Kiinteiden oksidien elektrolyysillä tapahtuvan vedyn tuotannon edistyminen ja taloudellinen analyysi

Kiinteäoksidielektrolyyseri (SOE) käyttää elektrolyysiin korkean lämpötilan vesihöyryä (600 ~ 900 °C), mikä on tehokkaampaa kuin alkalielektrolyyseri ja PEM-elektrolyyseri. Yhdysvallat ja Saksa alkoivat 1960-luvulla tutkia korkean lämpötilan vesihöyry-SOE:ta. SOE-elektrolyyserin toimintaperiaate on esitetty kuvassa 4. Kierrätetty vety ja vesihöyry tulevat reaktiojärjestelmään anodilta. Vesihöyry elektrolysoituu vedyksi katodilla. Katodin tuottama O2 siirtyy kiinteän elektrolyytin läpi anodille, jossa se yhdistyy uudelleen muodostaen happea ja vapauttaen elektroneja.

Toisin kuin alkali- ja protoninvaihtokalvoelektrolyysikennoissa, SOE-elektrodi reagoi vesihöyrykontaktin kanssa ja sen haasteena on maksimoida elektrodin ja vesihöyrykontaktin välinen rajapinta-ala. Siksi SOE-elektrodilla on yleensä huokoinen rakenne. Vesihöyryelektrolyysin tarkoituksena on vähentää energiaintensiteettiä ja alentaa perinteisen nestemäisen veden elektrolyysin käyttökustannuksia. Itse asiassa, vaikka veden hajoamisreaktion kokonaisenergiantarve kasvaa hieman lämpötilan noustessa, sähköenergiantarve pienenee merkittävästi. Elektrolyysin lämpötilan noustessa osa tarvittavasta energiasta toimitetaan lämpönä. SOE pystyy tuottamaan vetyä korkean lämpötilan lämmönlähteen läsnä ollessa. Koska korkean lämpötilan kaasujäähdytteiset ydinreaktorit voidaan lämmittää 950 °C:seen, ydinenergiaa voidaan käyttää SOE:n energialähteenä. Samalla tutkimus osoittaa, että myös uusiutuvalla energialla, kuten maalämpöenergialla, on potentiaalia höyryelektrolyysin lämmönlähteenä. Korkeassa lämpötilassa käyttö voi alentaa akun jännitettä ja lisätä reaktionopeutta, mutta se kohtaa myös materiaalin lämpöstabiilisuuden ja tiiviyden haasteen. Lisäksi katodin tuottama kaasu on vetyseosta, joka on erotettava ja puhdistettava edelleen, mikä lisää kustannuksia verrattuna perinteiseen nestemäisen veden elektrolyysiin. Protonijohtavien keraamien, kuten strontiumzirkonaatin, käyttö alentaa SOE:n kustannuksia. Strontiumzirkonaatilla on erinomainen protonijohtavuus noin 700 °C:ssa, ja se edistää katodin puhdasta vetyä, mikä yksinkertaistaa höyryelektrolyysilaitetta.

Yan ym. [6] raportoivat, että tukirakenteen elektrolyysikennona (SOE) käytettiin kalsiumoksidilla stabiloitua zirkoniumoksidikeraamista putkea, jonka ulkopinta päällystettiin ohuella (alle 0,25 mm) huokoisella lantaaniperovskiitilla anodina ja Ni/Y2O3-stabiililla kalsiumoksidikermetillä katodina. 1000 °C:n lämpötilassa, 0,4 A/cm2:n virralla ja 39,3 W:n syöttöteholla yksikön vedyntuotantokapasiteetti on 17,6 NL/h. SOE:n haittana on ylijännite, joka johtuu suurista ohmihäviöistä, jotka ovat yleisiä kennojen välisissä liitoksissa, sekä korkea ylijännitepitoisuus, joka johtuu höyrydiffuusiokuljetuksen rajoituksista. Viime vuosina tasomaiset elektrolyysikennot ovat herättäneet paljon huomiota [7-8]. Putkimaisista kennoista poiketen litteät kennot tekevät valmistuksesta kompaktimpaa ja parantavat vedyntuotannon tehokkuutta [6]. Tällä hetkellä SOE:n teollisen käytön suurin este on elektrolyysikennon pitkäaikainen stabiilius [8], ja se voi aiheuttaa elektrodin ikääntymiseen ja deaktivoitumiseen liittyviä ongelmia.