მყარი ოქსიდების ელექტროლიზით წყალბადის წარმოების პროგრესი და ეკონომიკური ანალიზი

მყარი ოქსიდების ელექტროლიზით წყალბადის წარმოების პროგრესი და ეკონომიკური ანალიზი

მყარი ოქსიდის ელექტროლიზატორი (SOE) ელექტროლიზისთვის იყენებს მაღალი ტემპერატურის წყლის ორთქლს (600 ~ 900°C), რაც უფრო ეფექტურია, ვიდრე ტუტე ელექტროლიზატორი და PEM ელექტროლიზატორი. 1960-იან წლებში შეერთებულმა შტატებმა და გერმანიამ დაიწყეს მაღალი ტემპერატურის წყლის ორთქლის SOE-ს კვლევის ჩატარება. SOE ელექტროლიზატორის მუშაობის პრინციპი ნაჩვენებია ნახაზ 4-ში. გადამუშავებული წყალბადი და წყლის ორთქლი რეაქციის სისტემაში ანოდიდან შედის. წყლის ორთქლი კათოდზე წყალბადად ელექტროლიზდება. კათოდის მიერ წარმოქმნილი O2 მყარი ელექტროლიტის გავლით ანოდში გადადის, სადაც ის ხელახლა აერთიანებს ჟანგბადის წარმოქმნას და ელექტრონების გამოყოფას.

ტუტე და პროტონგაცვლითი მემბრანული ელექტროლიტური უჯრედებისგან განსხვავებით, SOE ელექტროდი რეაგირებს წყლის ორთქლთან და ელექტროდსა და წყლის ორთქლის კონტაქტს შორის ინტერფეისის ფართობის მაქსიმიზაციის გამოწვევის წინაშე დგას. ამიტომ, SOE ელექტროდს ზოგადად აქვს ფოროვანი სტრუქტურა. წყლის ორთქლის ელექტროლიზის მიზანია ენერგიის ინტენსივობის შემცირება და ჩვეულებრივი თხევადი წყლის ელექტროლიზის საოპერაციო ხარჯების შემცირება. სინამდვილეში, მიუხედავად იმისა, რომ წყლის დაშლის რეაქციის მთლიანი ენერგიის მოთხოვნა ოდნავ იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად, ელექტროენერგიის მოთხოვნა მნიშვნელოვნად მცირდება. ელექტროლიტური ტემპერატურის მატებასთან ერთად, საჭირო ენერგიის ნაწილი მიეწოდება სითბოს სახით. SOE-ს შეუძლია წყალბადის წარმოება მაღალი ტემპერატურის სითბოს წყაროს არსებობისას. რადგან მაღალი ტემპერატურის გაზით გაცივებული ბირთვული რეაქტორების გაცხელება შესაძლებელია 950°C-მდე, ბირთვული ენერგია შეიძლება გამოყენებულ იქნას SOE-სთვის ენერგიის წყაროდ. ამავდროულად, კვლევა აჩვენებს, რომ განახლებად ენერგიას, როგორიცაა გეოთერმული ენერგია, ასევე აქვს პოტენციალი, იყოს ორთქლის ელექტროლიზის სითბოს წყარო. მაღალ ტემპერატურაზე მუშაობას შეუძლია შეამციროს აკუმულატორის ძაბვა და გაზარდოს რეაქციის სიჩქარე, მაგრამ ასევე აწყდება მასალის თერმული სტაბილურობისა და დალუქვის გამოწვევის წინაშე. გარდა ამისა, კათოდის მიერ წარმოებული აირი წარმოადგენს წყალბადის ნარევს, რომელიც საჭიროებს დამატებით გამოყოფას და გაწმენდას, რაც ზრდის ღირებულებას ტრადიციულ თხევადი წყლის ელექტროლიზთან შედარებით. პროტონგამტარი კერამიკის, როგორიცაა სტრონციუმის ცირკონატი, გამოყენება ამცირებს SOE-ს ღირებულებას. სტრონციუმის ცირკონატი ავლენს შესანიშნავ პროტონგამტარობას დაახლოებით 700°C ტემპერატურაზე და ხელს უწყობს კათოდს მაღალი სისუფთავის წყალბადის წარმოებაში, რაც ამარტივებს ორთქლის ელექტროლიზის მოწყობილობას.

იანმა და სხვებმა [6] აღნიშნეს, რომ კალციუმის ოქსიდით სტაბილიზებული ცირკონიუმის კერამიკული მილი გამოყენებული იყო საყრდენი სტრუქტურის SOE-დ, გარე ზედაპირი დაფარული იყო თხელი (0.25 მმ-ზე ნაკლები) ფოროვანი ლანთანის პეროვსკიტით, როგორც ანოდი, ხოლო Ni/Y2O3 სტაბილური კალციუმის ოქსიდის ცერმეტით, როგორც კათოდი. 1000°C ტემპერატურაზე, 0.4A/სმ2-ზე და 39.3W შეყვანის სიმძლავრეზე, მოწყობილობის წყალბადის წარმოების სიმძლავრეა 17.6NL/სთ. SOE-ს ნაკლი არის გადაჭარბებული ძაბვა, რომელიც გამოწვეულია მაღალი ომური დანაკარგებით, რომლებიც ხშირია უჯრედებს შორის ურთიერთკავშირებში, და მაღალი გადაჭარბებული ძაბვის კონცენტრაცია ორთქლის დიფუზიის ტრანსპორტირების შეზღუდვების გამო. ბოლო წლებში, ბრტყელმა ელექტროლიტურმა უჯრედებმა დიდი ყურადღება მიიპყრო [7-8]. მილისებრი უჯრედებისგან განსხვავებით, ბრტყელი უჯრედები წარმოებას უფრო კომპაქტურს ხდის და აუმჯობესებს წყალბადის წარმოების ეფექტურობას [6]. ამჟამად, SOE-ს სამრეწველო გამოყენების მთავარი დაბრკოლება ელექტროლიტური უჯრედის გრძელვადიანი სტაბილურობაა [8], და შესაძლოა გამოწვეული იყოს ელექტროდის დაბერებისა და დეაქტივაციის პრობლემებით.