Kemajuan dan analisis ekonomi produksi hidrogen melalui elektrolisis oksida padat

Kemajuan dan analisis ekonomi produksi hidrogen melalui elektrolisis oksida padat

Elektroliser oksida padat (SOE) menggunakan uap air suhu tinggi (600 ~ 900°C) untuk elektrolisis, yang lebih efisien daripada elektroliser alkali dan elektroliser PEM. Pada tahun 1960-an, Amerika Serikat dan Jerman mulai melakukan penelitian tentang SOE uap air suhu tinggi. Prinsip kerja elektroliser SOE ditunjukkan pada Gambar 4. Hidrogen dan uap air daur ulang masuk ke sistem reaksi dari anoda. Uap air dielektrolisis menjadi hidrogen di katoda. O2 yang dihasilkan oleh katoda bergerak melalui elektrolit padat ke anoda, di mana ia bergabung kembali membentuk oksigen dan melepaskan elektron.

Tidak seperti sel elektrolitik membran pertukaran proton dan alkali, elektroda SOE bereaksi dengan kontak uap air dan menghadapi tantangan untuk memaksimalkan area antarmuka antara elektroda dan kontak uap air. Oleh karena itu, elektroda SOE umumnya memiliki struktur berpori. Tujuan elektrolisis uap air adalah untuk mengurangi intensitas energi dan mengurangi biaya operasional elektrolisis air cair konvensional. Faktanya, meskipun total kebutuhan energi reaksi dekomposisi air sedikit meningkat seiring dengan peningkatan suhu, kebutuhan energi listrik menurun secara signifikan. Seiring dengan peningkatan suhu elektrolitik, sebagian energi yang dibutuhkan disuplai sebagai panas. SOE mampu menghasilkan hidrogen dengan adanya sumber panas suhu tinggi. Karena reaktor nuklir berpendingin gas suhu tinggi dapat dipanaskan hingga 950°C, energi nuklir dapat digunakan sebagai sumber energi untuk SOE. Pada saat yang sama, penelitian menunjukkan bahwa energi terbarukan seperti energi panas bumi juga memiliki potensi sebagai sumber panas elektrolisis uap. Beroperasi pada suhu tinggi dapat mengurangi tegangan baterai dan meningkatkan laju reaksi, tetapi juga menghadapi tantangan stabilitas termal material dan penyegelan. Selain itu, gas yang dihasilkan oleh katoda adalah campuran hidrogen, yang perlu dipisahkan dan dimurnikan lebih lanjut, sehingga meningkatkan biaya dibandingkan dengan elektrolisis air cair konvensional. Penggunaan keramik penghantar proton, seperti strontium zirkonat, mengurangi biaya SOE. Strontium zirkonat menunjukkan konduktivitas proton yang sangat baik pada suhu sekitar 700°C, dan kondusif bagi katoda untuk menghasilkan hidrogen dengan kemurnian tinggi, sehingga menyederhanakan perangkat elektrolisis uap.

Yan et al. [6] melaporkan bahwa tabung keramik zirkonia yang distabilkan oleh kalsium oksida digunakan sebagai SOE dari struktur pendukung, permukaan luarnya dilapisi dengan lanthanum perovskite berpori tipis (kurang dari 0,25 mm) sebagai anoda, dan cermet kalsium oksida stabil Ni/Y2O3 sebagai katoda. Pada suhu 1000°C, arus 0,4 A/cm2 dan daya masukan 39,3 W, kapasitas produksi hidrogen unit tersebut adalah 17,6 NL/jam. Kerugian SOE adalah tegangan lebih yang dihasilkan dari kerugian ohm yang tinggi yang umum terjadi pada interkoneksi antar sel, dan konsentrasi tegangan lebih yang tinggi karena keterbatasan transportasi difusi uap. Dalam beberapa tahun terakhir, sel elektrolitik planar telah menarik banyak perhatian [7-8]. Berbeda dengan sel tubular, sel datar membuat pembuatan lebih kompak dan meningkatkan efisiensi produksi hidrogen [6]. Saat ini, kendala utama penerapan industri SOE adalah stabilitas jangka panjang sel elektrolitik [8], dan masalah penuaan dan deaktivasi elektroda dapat disebabkan oleh hal tersebut.