A szilárd oxidok elektrolízisével történő hidrogéntermelés előrehaladása és gazdasági elemzése

A szilárd oxidok elektrolízisével történő hidrogéntermelés előrehaladása és gazdasági elemzése

A szilárd-oxid elektrolizátor (SOE) magas hőmérsékletű vízgőzt (600 ~ 900°C) használ az elektrolízishez, ami hatékonyabb, mint az alkáli elektrolizátor és a PEM elektrolizátor. Az 1960-as években az Egyesült Államok és Németország kutatásokat kezdett végezni a magas hőmérsékletű vízgőz SOE-vel kapcsolatban. A SOE elektrolizátor működési elvét a 4. ábra mutatja. Az újrahasznosított hidrogén és vízgőz az anódból jut be a reakciórendszerbe. A vízgőz a katódon hidrogénné elektrolizálódik. A katód által termelt O2 a szilárd elektroliton keresztül az anódhoz jut, ahol újra egyesül, oxigént képez és elektronokat szabadít fel.

Az alkáli és protoncserélő membrános elektrolizáló cellákkal ellentétben az SOE elektróda vízgőzzel érintkezve reagál, és azzal a kihívással néz szembe, hogy maximalizálja az elektróda és a vízgőz érintkezési felületét. Ezért az SOE elektróda általában porózus szerkezettel rendelkezik. A vízgőz elektrolízis célja az energiaintenzitás csökkentése és a hagyományos folyékony víz elektrolízis üzemeltetési költségeinek csökkentése. Valójában, bár a vízbontási reakció teljes energiaigénye a hőmérséklet növekedésével kissé növekszik, az elektromos energiaigény jelentősen csökken. Az elektrolízis hőmérsékletének növekedésével a szükséges energia egy része hő formájában keletkezik. Az SOE képes hidrogént termelni magas hőmérsékletű hőforrás jelenlétében. Mivel a magas hőmérsékletű gázhűtéses atomreaktorok 950°C-ra melegíthetők, az atomenergia energiaforrásként használható az SOE számára. Ugyanakkor a kutatások azt mutatják, hogy a megújuló energia, például a geotermikus energia is potenciálisan hőforrásként szolgálhat a gőzelektrolízishez. A magas hőmérsékleten történő működés csökkentheti az akkumulátor feszültségét és növelheti a reakciósebességet, de az anyag hőstabilitása és tömítése is kihívást jelent. Ezenkívül a katód által termelt gáz egy hidrogénkeverék, amelyet tovább kell elválasztani és tisztítani, ami növeli a költségeket a hagyományos folyékony víz elektrolíziséhez képest. A protonvezető kerámiák, például a stroncium-cirkonát használata csökkenti a SOE költségeit. A stroncium-cirkonát kiváló protonvezető képességet mutat körülbelül 700 °C-on, és elősegíti a katód számára a nagy tisztaságú hidrogén előállítását, leegyszerűsítve a gőzelektrolízis berendezést.

Yan és munkatársai [6] arról számoltak be, hogy kalcium-oxiddal stabilizált cirkónium-dioxid-kerámia csövet használtak tartószerkezet elektrolízis cellaként (SOE), amelynek külső felületét vékony (kevesebb, mint 0,25 mm) porózus lantán-perovszkit anóddal, katód pedig Ni/Y2O3 stabil kalcium-oxid cermettel vonták be. 1000°C-on, 0,4 A/cm2 áramerősséggel és 39,3 W bemeneti teljesítménnyel az egység hidrogéntermelő kapacitása 17,6NL/h. Az SOE hátránya a cellák közötti összeköttetéseknél gyakori nagy ohmos veszteségekből eredő túlfeszültség, valamint a gőzdiffúziós transzport korlátai miatti magas túlfeszültség-koncentráció. Az elmúlt években a sík cellák nagy figyelmet kaptak [7-8]. A csőszerű cellákkal ellentétben a sík cellák kompaktabbá teszik a gyártást és javítják a hidrogéntermelés hatékonyságát [6]. Jelenleg az SOE ipari alkalmazásának fő akadálya az elektrolizáló cella hosszú távú stabilitása [8], és ez problémákat okozhat az elektróda öregedésével és deaktiválódásával.