Պինդ օքսիդների էլեկտրոլիզի միջոցով ջրածնի արտադրության առաջընթացը և տնտեսական վերլուծությունը

Պինդ օքսիդների էլեկտրոլիզի միջոցով ջրածնի արտադրության առաջընթացը և տնտեսական վերլուծությունը

Պինդ օքսիդային էլեկտրոլիզատորը (ՊՕԷ) էլեկտրոլիզի համար օգտագործում է բարձր ջերմաստիճանի ջրային գոլորշի (600 ~ 900°C), որն ավելի արդյունավետ է, քան ալկալային էլեկտրոլիզատորը և PEM էլեկտրոլիզատորը: 1960-ական թվականներին Միացյալ Նահանգները և Գերմանիան սկսեցին հետազոտություններ անցկացնել բարձր ջերմաստիճանի ջրային գոլորշու ՊՕԷ-ի վերաբերյալ: ՊՕԷ էլեկտրոլիզատորի աշխատանքի սկզբունքը ներկայացված է նկար 4-ում: Վերամշակված ջրածինը և ջրային գոլորշին անոդից մտնում են ռեակցիայի համակարգ: Ջրային գոլորշին էլեկտրոլիզացվում է կաթոդում ջրածնի: Կաթոդի կողմից արտադրված O2-ը պինդ էլեկտրոլիտի միջով անցնում է անոդ, որտեղ այն վերամիավորվում է՝ առաջացնելով թթվածին և անջատելով էլեկտրոններ:

Ի տարբերություն ալկալային և պրոտոնափոխանակման թաղանթային էլեկտրոլիտիկ բջիջների, SOE էլեկտրոդը ռեակցիա է անում ջրային գոլորշու հետ և բախվում է էլեկտրոդի և ջրային գոլորշու շփման միջև միջերեսային մակերեսը մաքսիմալացնելու մարտահրավերի։ Հետևաբար, SOE էլեկտրոդը, որպես կանոն, ունի ծակոտկեն կառուցվածք։ Ջրային գոլորշու էլեկտրոլիզի նպատակն է նվազեցնել ավանդական հեղուկ ջրային էլեկտրոլիզի էներգիայի ինտենսիվությունը և շահագործման արժեքը։ Փաստորեն, չնայած ջրի քայքայման ռեակցիայի ընդհանուր էներգիայի պահանջը փոքր-ինչ աճում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ, էլեկտրական էներգիայի պահանջը զգալիորեն նվազում է։ Էլեկտրոլիտիկ ջերմաստիճանի բարձրացմանը զուգընթաց, անհրաժեշտ էներգիայի մի մասը մատակարարվում է որպես ջերմություն։ SOE-ն ունակ է ջրածին արտադրել բարձր ջերմաստիճանի ջերմային աղբյուրի առկայության դեպքում։ Քանի որ բարձր ջերմաստիճանի գազով սառեցվող միջուկային ռեակտորները կարող են տաքացվել մինչև 950°C, միջուկային էներգիան կարող է օգտագործվել որպես SOE-ի էներգիայի աղբյուր։ Միևնույն ժամանակ, հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ վերականգնվող էներգիան, ինչպիսին է երկրաջերմային էներգիան, նույնպես ունի գոլորշու էլեկտրոլիզի ջերմային աղբյուր լինելու ներուժ։ Բարձր ջերմաստիճանում աշխատելը կարող է նվազեցնել մարտկոցի լարումը և մեծացնել ռեակցիայի արագությունը, բայց այն նաև բախվում է նյութի ջերմային կայունության և կնքման մարտահրավերի։ Բացի այդ, կաթոդի կողմից արտադրվող գազը ջրածնի խառնուրդ է, որը պետք է հետագայում բաժանվի և մաքրվի, ինչը մեծացնում է արժեքը՝ համեմատած ավանդական հեղուկ ջրի էլեկտրոլիզի հետ: Պրոտոնահաղորդիչ կերամիկայի, ինչպիսին է ստրոնցիումի ցիրկոնատը, օգտագործումը նվազեցնում է SOE-ի արժեքը: Ստրոնցիումի ցիրկոնատը ցուցաբերում է գերազանց պրոտոնային հաղորդունակություն մոտ 700°C ջերմաստիճանում և նպաստում է կաթոդի կողմից բարձր մաքրության ջրածնի արտադրությանը՝ պարզեցնելով գոլորշու էլեկտրոլիզի սարքը:

Յանը և այլք [6] հայտնել են, որ կալցիումի օքսիդով կայունացված ցիրկոնիումային կերամիկական խողովակը օգտագործվել է որպես կրող կառուցվածքի SOE, արտաքին մակերեսը պատված է բարակ (0.25 մմ-ից պակաս) ծակոտկեն լանթանային պերովսկիտով՝ որպես անոդ, իսկ Ni/Y2O3 կայուն կալցիումի օքսիդային կերմետով՝ որպես կաթոդ: 1000°C ջերմաստիճանում, 0.4A/cm2 և 39.3W մուտքային հզորությամբ, սարքի ջրածնի արտադրության հզորությունը կազմում է 17.6NL/ժ: SOE-ի թերությունը բջիջների միջև փոխկապակցվածության բարձր օհմ կորուստներից առաջացող գերլարումն է, որը տարածված է բջիջների միջև փոխկապակցվածության կետերում, և գոլորշու դիֆուզիոն փոխադրման սահմանափակումների պատճառով գերլարման բարձր կոնցենտրացիան: Վերջին տարիներին հարթ էլեկտրոլիտիկ բջիջները մեծ ուշադրություն են գրավել [7-8]: Խողովակային բջիջներից ի տարբերություն հարթ բջիջները արտադրությունն ավելի կոմպակտ են դարձնում և բարելավում են ջրածնի արտադրության արդյունավետությունը [6]: Ներկայումս SOE-ի արդյունաբերական կիրառման հիմնական խոչընդոտը էլեկտրոլիտիկ բջիջի երկարատև կայունությունն է [8], և կարող են առաջանալ էլեկտրոդի ծերացման և անջատման խնդիրներ: