ठोस ऑक्साइडों के विद्युत अपघटन द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन की प्रगति और आर्थिक विश्लेषण

ठोस ऑक्साइडों के विद्युत अपघटन द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन की प्रगति और आर्थिक विश्लेषण

सॉलिड ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइज़र (SOE) विद्युत अपघटन के लिए उच्च तापमान वाले जल वाष्प (600 ~ 900°C) का उपयोग करता है, जो क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र और PEM इलेक्ट्रोलाइज़र की तुलना में अधिक कुशल है। 1960 के दशक में, संयुक्त राज्य अमेरिका और जर्मनी ने उच्च तापमान वाले जल वाष्प SOE पर अनुसंधान शुरू किया। SOE इलेक्ट्रोलाइज़र का कार्य सिद्धांत चित्र 4 में दर्शाया गया है। पुनर्चक्रित हाइड्रोजन और जल वाष्प एनोड से अभिक्रिया प्रणाली में प्रवेश करते हैं। कैथोड पर जल वाष्प का विद्युत अपघटन होकर हाइड्रोजन बनता है। कैथोड द्वारा उत्पादित O2 ठोस इलेक्ट्रोलाइट से होकर एनोड तक पहुँचती है, जहाँ यह ऑक्सीजन बनाने के लिए पुनर्संयोजित होती है और इलेक्ट्रॉन मुक्त करती है।

क्षारीय और प्रोटॉन विनिमय झिल्ली इलेक्ट्रोलाइटिक सेल के विपरीत, SOE इलेक्ट्रोड जल वाष्प के संपर्क में प्रतिक्रिया करता है और इलेक्ट्रोड तथा जल वाष्प के संपर्क के बीच इंटरफ़ेस क्षेत्र को अधिकतम करने की चुनौती का सामना करता है। इसलिए, SOE इलेक्ट्रोड में आमतौर पर छिद्रपूर्ण संरचना होती है। जल वाष्प इलेक्ट्रोलाइसिस का उद्देश्य पारंपरिक तरल जल इलेक्ट्रोलाइसिस की ऊर्जा खपत और परिचालन लागत को कम करना है। वास्तव में, यद्यपि जल अपघटन प्रतिक्रिया की कुल ऊर्जा आवश्यकता तापमान बढ़ने के साथ थोड़ी बढ़ जाती है, विद्युत ऊर्जा आवश्यकता में काफी कमी आती है। इलेक्ट्रोलाइटिक तापमान बढ़ने पर, आवश्यक ऊर्जा का एक हिस्सा ऊष्मा के रूप में प्राप्त होता है। SOE उच्च तापमान वाले ऊष्मा स्रोत की उपस्थिति में हाइड्रोजन का उत्पादन करने में सक्षम है। चूंकि उच्च तापमान वाले गैस-कूल्ड परमाणु रिएक्टरों को 950°C तक गर्म किया जा सकता है, इसलिए परमाणु ऊर्जा को SOE के लिए ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग किया जा सकता है। साथ ही, शोध से पता चलता है कि भूतापीय ऊर्जा जैसी नवीकरणीय ऊर्जा में भी भाप इलेक्ट्रोलाइसिस के ऊष्मा स्रोत के रूप में क्षमता है। उच्च तापमान पर संचालन से बैटरी वोल्टेज कम हो सकता है और प्रतिक्रिया दर बढ़ सकती है, लेकिन इसमें सामग्री की ऊष्मीय स्थिरता और सीलिंग की चुनौती भी शामिल है। इसके अलावा, कैथोड द्वारा उत्पादित गैस हाइड्रोजन का मिश्रण होती है, जिसे आगे पृथक्करण और शुद्धिकरण की आवश्यकता होती है, जिससे पारंपरिक तरल जल विद्युत अपघटन की तुलना में लागत बढ़ जाती है। स्ट्रोंटियम ज़िरकोनेट जैसे प्रोटॉन-संचालक सिरेमिक का उपयोग एसओई की लागत को कम करता है। स्ट्रोंटियम ज़िरकोनेट लगभग 700°C पर उत्कृष्ट प्रोटॉन चालकता प्रदर्शित करता है, और कैथोड को उच्च शुद्धता वाली हाइड्रोजन उत्पन्न करने में सहायक होता है, जिससे भाप विद्युत अपघटन उपकरण सरल हो जाता है।

यान एट अल. [6] ने बताया कि कैल्शियम ऑक्साइड द्वारा स्थिर ज़िरकोनिया सिरेमिक ट्यूब का उपयोग सहायक संरचना के SOE के रूप में किया गया था, बाहरी सतह को एनोड के रूप में पतली (0.25 मिमी से कम) छिद्रयुक्त लैंथेनम पेरोवस्काइट से लेपित किया गया था, और कैथोड के रूप में Ni/Y2O3 स्थिर कैल्शियम ऑक्साइड सेरमेट का उपयोग किया गया था। 1000°C, 0.4A/cm2 और 39.3W इनपुट पावर पर, इकाई की हाइड्रोजन उत्पादन क्षमता 17.6NL/h है। SOE की कमियां सेलों के बीच अंतर्संबंधों पर होने वाले उच्च ओम हानियों के कारण उत्पन्न होने वाला अतिवोल्टेज और वाष्प प्रसार परिवहन की सीमाओं के कारण उच्च अतिवोल्टेज सांद्रता हैं। हाल के वर्षों में, समतल इलेक्ट्रोलाइटिक सेलों ने बहुत ध्यान आकर्षित किया है [7-8]। ट्यूबलर सेलों के विपरीत, समतल सेलों का निर्माण अधिक सघन होता है और हाइड्रोजन उत्पादन दक्षता में सुधार होता है [6]। वर्तमान में, एसओई के औद्योगिक अनुप्रयोग में मुख्य बाधा इलेक्ट्रोलाइटिक सेल की दीर्घकालिक स्थिरता है [8], और इलेक्ट्रोड की उम्र बढ़ने और निष्क्रियता की समस्याएँ उत्पन्न हो सकती हैं।