התקדמות וניתוח כלכלי של ייצור מימן על ידי אלקטרוליזה של תחמוצות מוצקות

התקדמות וניתוח כלכלי של ייצור מימן על ידי אלקטרוליזה של תחמוצות מוצקות

אלקטרוליזר תחמוצת מוצקה (SOE) משתמש באדי מים בטמפרטורה גבוהה (600 ~ 900 מעלות צלזיוס) לצורך אלקטרוליזה, והיא יעילה יותר מאלקטרוליזר אלקליין ואלקטרוליזר PEM. בשנות ה-60, ארצות הברית וגרמניה החלו לערוך מחקר על SOE באדי מים בטמפרטורה גבוהה. עקרון הפעולה של אלקטרוליזר SOE מוצג באיור 4. מימן ואדי מים ממוחזרים נכנסים למערכת התגובה מהאנודה. אדי המים עוברים אלקטרוליזה למימן בקתודה. ה-O2 המיוצר על ידי הקתודה עובר דרך האלקטרוליט המוצק לאנודה, שם הוא מתאחד מחדש ליצירת חמצן ומשחרר אלקטרונים.

בניגוד לתאים אלקטרוליטיים מבוססי קרום אלקליין ותאי חילוף פרוטונים, אלקטרודת ה-SOE מגיבה במגע עם אדי מים ועומדת בפני אתגר של מקסום שטח הממשק בין האלקטרודה למגע עם אדי המים. לכן, לאלקטרודת ה-SOE יש בדרך כלל מבנה נקבובי. מטרת האלקטרוליזה של אדי מים היא להפחית את עוצמת האנרגיה ולהפחית את עלות התפעול של אלקטרוליזה קונבנציונלית של מים נוזליים. למעשה, למרות שדרישת האנרגיה הכוללת של תגובת פירוק המים עולה מעט עם עליית הטמפרטורה, דרישת האנרגיה החשמלית יורדת משמעותית. ככל שטמפרטורת האלקטרוליזה עולה, חלק מהאנרגיה הנדרשת מסופק כחום. ה-SOE מסוגל לייצר מימן בנוכחות מקור חום בטמפרטורה גבוהה. מכיוון שניתן לחמם כורים גרעיניים מקוררי גז בטמפרטורה גבוהה ל-950 מעלות צלזיוס, ניתן להשתמש באנרגיה גרעינית כמקור אנרגיה עבור ה-SOE. יחד עם זאת, המחקר מראה כי לאנרגיה מתחדשת כמו אנרגיה גיאותרמית יש גם פוטנציאל כמקור חום לאלקטרוליזה של קיטור. פעולה בטמפרטורה גבוהה יכולה להפחית את מתח הסוללה ולהגדיל את קצב התגובה, אך היא גם מתמודדת עם אתגר של יציבות תרמית ואיטום החומר. בנוסף, הגז המופק על ידי הקתודה הוא תערובת מימן, אשר יש צורך להפריד ולטהר אותה עוד יותר, מה שמגדיל את העלות בהשוואה לאלקטרוליזה קונבנציונלית של מים נוזליים. השימוש בקרמיקה מוליכה פרוטונים, כגון סטרונציום זירקונט, מפחית את עלות ה-SOE. סטרונציום זירקונט מציג מוליכות פרוטונים מצוינת בכ-700 מעלות צלזיוס, והוא תורם לקתודה לייצר מימן בעל טוהר גבוה, מה שמפשט את מכשיר האלקטרוליזה בקיטור.

יאן ועמיתיו [6] דיווחו כי צינור קרמי מזרקוניה המיוצא על ידי תחמוצת סידן שימש כ-SOE של מבנה תומך, כאשר המשטח החיצוני צופה בלנתנום פרובסקיט נקבובי דק (פחות מ-0.25 מ"מ) כאנודה, ו-Cermet תחמוצת סידן יציבה Ni/Y2O3 כקתודה. בטמפרטורה של 1000 מעלות צלזיוס, 0.4A/cm2 והספק קלט של 39.3W, כושר ייצור המימן של היחידה הוא 17.6NL/h. החיסרון של SOE הוא מתח יתר הנובע מהפסדי אוהם גבוהים הנפוצים בחיבורים בין תאים, וריכוז מתח יתר גבוה עקב מגבלות הולכת דיפוזיה של אדים. בשנים האחרונות, תאים אלקטרוליטיים מישוריים משכו תשומת לב רבה [7-8]. בניגוד לתאים צינוריים, תאים שטוחים הופכים את הייצור לקומפקטי יותר ומשפרים את יעילות ייצור המימן [6]. כיום, המכשול העיקרי ליישום תעשייתי של SOE הוא היציבות ארוכת הטווח של התא האלקטרוליטי [8], וייתכן שייגרם בעיות של הזדקנות וכיבוי אלקטרודות.