ઘન ઓક્સાઇડના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દ્વારા હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનની પ્રગતિ અને આર્થિક વિશ્લેષણ

ઘન ઓક્સાઇડના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ દ્વારા હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનની પ્રગતિ અને આર્થિક વિશ્લેષણ

સોલિડ ઓક્સાઇડ ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર (SOE) વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ માટે ઉચ્ચ-તાપમાન પાણીની વરાળ (600 ~ 900°C) નો ઉપયોગ કરે છે, જે આલ્કલાઇન ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર અને PEM ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર કરતાં વધુ કાર્યક્ષમ છે. 1960 ના દાયકામાં, યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સ અને જર્મનીએ ઉચ્ચ-તાપમાન પાણીની વરાળ SOE પર સંશોધન કરવાનું શરૂ કર્યું. SOE ઇલેક્ટ્રોલાઇઝરનો કાર્યકારી સિદ્ધાંત આકૃતિ 4 માં દર્શાવવામાં આવ્યો છે. રિસાયકલ હાઇડ્રોજન અને પાણીની વરાળ એનોડમાંથી પ્રતિક્રિયા પ્રણાલીમાં પ્રવેશ કરે છે. પાણીની વરાળ કેથોડ પર હાઇડ્રોજનમાં વિદ્યુત વિચ્છેદન થાય છે. કેથોડ દ્વારા ઉત્પાદિત O2 ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાંથી એનોડમાં જાય છે, જ્યાં તે ફરીથી જોડાઈને ઓક્સિજન બનાવે છે અને ઇલેક્ટ્રોન મુક્ત કરે છે.

આલ્કલાઇન અને પ્રોટોન એક્સચેન્જ મેમ્બ્રેન ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષોથી વિપરીત, SOE ઇલેક્ટ્રોડ પાણીની વરાળ સંપર્ક સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે અને ઇલેક્ટ્રોડ અને પાણીની વરાળ સંપર્ક વચ્ચેના ઇન્ટરફેસ વિસ્તારને મહત્તમ બનાવવાના પડકારનો સામનો કરે છે. તેથી, SOE ઇલેક્ટ્રોડ સામાન્ય રીતે છિદ્રાળુ માળખું ધરાવે છે. પાણીની વરાળ વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણનો હેતુ ઊર્જાની તીવ્રતા ઘટાડવાનો અને પરંપરાગત પ્રવાહી પાણી વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણની કાર્યકારી કિંમત ઘટાડવાનો છે. હકીકતમાં, વધતા તાપમાન સાથે પાણીની વિઘટન પ્રતિક્રિયાની કુલ ઊર્જા જરૂરિયાત થોડી વધે છે, તેમ છતાં વિદ્યુત ઊર્જાની જરૂરિયાત નોંધપાત્ર રીતે ઘટે છે. જેમ જેમ ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક તાપમાન વધે છે, જરૂરી ઊર્જાનો એક ભાગ ગરમી તરીકે પૂરો પાડવામાં આવે છે. SOE ઉચ્ચ-તાપમાન ગરમી સ્ત્રોતની હાજરીમાં હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરવામાં સક્ષમ છે. ઉચ્ચ-તાપમાન ગેસ-કૂલ્ડ પરમાણુ રિએક્ટરને 950°C સુધી ગરમ કરી શકાય છે, તેથી પરમાણુ ઊર્જાનો ઉપયોગ SOE માટે ઊર્જા સ્ત્રોત તરીકે થઈ શકે છે. તે જ સમયે, સંશોધન દર્શાવે છે કે ભૂ-ઉષ્મીય ઊર્જા જેવી નવીનીકરણીય ઊર્જામાં પણ વરાળ વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણના ગરમી સ્ત્રોત તરીકે ક્ષમતા છે. ઉચ્ચ તાપમાન પર સંચાલન કરવાથી બેટરી વોલ્ટેજ ઘટાડી શકાય છે અને પ્રતિક્રિયા દરમાં વધારો થઈ શકે છે, પરંતુ તે સામગ્રી થર્મલ સ્થિરતા અને સીલિંગના પડકારનો પણ સામનો કરે છે. વધુમાં, કેથોડ દ્વારા ઉત્પાદિત ગેસ એક હાઇડ્રોજન મિશ્રણ છે, જેને વધુ અલગ અને શુદ્ધ કરવાની જરૂર છે, જે પરંપરાગત પ્રવાહી પાણીના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણની તુલનામાં ખર્ચમાં વધારો કરે છે. પ્રોટોન-વાહક સિરામિક્સ, જેમ કે સ્ટ્રોન્ટીયમ ઝિર્કોનેટનો ઉપયોગ, SOE ની કિંમત ઘટાડે છે. સ્ટ્રોન્ટીયમ ઝિર્કોનેટ લગભગ 700°C પર ઉત્તમ પ્રોટોન વાહકતા દર્શાવે છે, અને કેથોડને ઉચ્ચ શુદ્ધતાવાળા હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરવા માટે અનુકૂળ છે, જે વરાળ વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ ઉપકરણને સરળ બનાવે છે.

યાન એટ અલ. [6] એ અહેવાલ આપ્યો છે કે કેલ્શિયમ ઓક્સાઇડ દ્વારા સ્થિર કરાયેલ ઝિર્કોનિયા સિરામિક ટ્યુબનો ઉપયોગ સહાયક માળખાના SOE તરીકે કરવામાં આવ્યો હતો, બાહ્ય સપાટીને એનોડ તરીકે પાતળા (0.25mm કરતા ઓછા) છિદ્રાળુ લેન્થેનમ પેરોવસ્કાઇટ અને કેથોડ તરીકે Ni/Y2O3 સ્થિર કેલ્શિયમ ઓક્સાઇડ સર્મેટથી કોટેડ કરવામાં આવી હતી. 1000°C, 0.4A/cm2 અને 39.3W ઇનપુટ પાવર પર, યુનિટની હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન ક્ષમતા 17.6NL/h છે. SOE નો ગેરલાભ એ છે કે કોષો વચ્ચેના આંતરજોડાણ પર સામાન્ય રીતે થતા ઉચ્ચ ઓહ્મ નુકસાનને કારણે ઓવરવોલ્ટેજ અને વરાળ પ્રસરણ પરિવહનની મર્યાદાઓને કારણે ઉચ્ચ ઓવરવોલ્ટેજ સાંદ્રતા. તાજેતરના વર્ષોમાં, પ્લેનર ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક કોષોએ ખૂબ ધ્યાન આકર્ષિત કર્યું છે [7-8]. ટ્યુબ્યુલર કોષોથી વિપરીત, ફ્લેટ કોષો ઉત્પાદનને વધુ કોમ્પેક્ટ બનાવે છે અને હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરે છે [6]. હાલમાં, SOE ના ઔદ્યોગિક ઉપયોગ માટે મુખ્ય અવરોધ ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષ [8] ની લાંબા ગાળાની સ્થિરતા છે, અને ઇલેક્ટ્રોડ વૃદ્ધત્વ અને નિષ્ક્રિયકરણની સમસ્યાઓનું કારણ બની શકે છે.