Vandenilio gamybos kietųjų oksidų elektrolizės būdu pažanga ir ekonominė analizė

Vandenilio gamybos kietųjų oksidų elektrolizės būdu pažanga ir ekonominė analizė

Kietojo oksido elektrolizeris (SOE) elektrolizei naudoja aukštos temperatūros vandens garus (600–900 °C), kurie yra efektyvesni nei šarminiai ir PEM elektrolizeriai. Septintajame dešimtmetyje Jungtinės Valstijos ir Vokietija pradėjo atlikti aukštos temperatūros vandens garų SOE tyrimus. SOE elektrolizerio veikimo principas parodytas 4 paveiksle. Perdirbtas vandenilis ir vandens garai patenka į reakcijos sistemą iš anodo. Katode vandens garai elektrolizuojami į vandenilį. Katodo pagamintas O2 juda per kietąjį elektrolitą į anodą, kur jis rekombinuojasi, sudarydamas deguonį ir išskirdamas elektronus.

Skirtingai nuo šarminių ir protonų mainų membranų elektrolizės elementų, SOE elektrodas reaguoja su vandens garų kontaktu ir susiduria su iššūkiu maksimaliai padidinti elektrodo ir vandens garų kontakto sąsajos plotą. Todėl SOE elektrodas paprastai turi porėtą struktūrą. Vandens garų elektrolizės tikslas – sumažinti energijos intensyvumą ir įprastinės skysto vandens elektrolizės eksploatavimo sąnaudas. Iš tiesų, nors bendras vandens skaidymo reakcijos energijos poreikis šiek tiek didėja didėjant temperatūrai, elektros energijos poreikis žymiai sumažėja. Didėjant elektrolizės temperatūrai, dalis reikalingos energijos tiekiama kaip šiluma. SOE gali gaminti vandenilį esant aukštos temperatūros šilumos šaltiniui. Kadangi aukštos temperatūros dujomis aušinami branduoliniai reaktoriai gali būti įkaitinami iki 950 °C, branduolinė energija gali būti naudojama kaip SOE energijos šaltinis. Tuo pačiu metu tyrimai rodo, kad atsinaujinanti energija, pavyzdžiui, geoterminė energija, taip pat turi potencialą kaip garų elektrolizės šilumos šaltinis. Veikiant aukštoje temperatūroje, galima sumažinti akumuliatoriaus įtampą ir padidinti reakcijos greitį, tačiau taip pat susiduriama su medžiagos terminio stabilumo ir sandarumo iššūkiu. Be to, katodo pagamintos dujos yra vandenilio mišinys, kurį reikia toliau atskirti ir išvalyti, todėl, palyginti su įprastine skysto vandens elektrolize, padidėja sąnaudos. Protonus laidžios keramikos, tokios kaip stroncio cirkonatas, naudojimas sumažina SOE sąnaudas. Stroncio cirkonatas pasižymi puikiu protonų laidumu maždaug 700 °C temperatūroje ir padeda katodui gaminti labai gryną vandenilį, todėl garo elektrolizės įrenginys yra paprastesnis.

Yan ir kt. [6] pranešė, kad kaip atraminės konstrukcijos SOE buvo naudojamas cirkonio oksido keraminis vamzdelis, stabilizuotas kalcio oksidu, kurio išorinis paviršius buvo padengtas plonu (mažesniu nei 0,25 mm) akytu lantano perovskitu kaip anodu ir Ni/Y2O3 stabiliu kalcio oksido kermetu kaip katodu. Esant 1000 °C temperatūrai, 0,4 A/cm2 srovei ir 39,3 W įėjimo galiai, įrenginio vandenilio gamybos pajėgumas yra 17,6 NL/h. SOE trūkumas yra viršįtampis, atsirandantis dėl didelių omų nuostolių, kurie yra įprasti jungtyse tarp elementų, ir didelė viršįtampio koncentracija dėl garų difuzijos pernašos apribojimų. Pastaraisiais metais daug dėmesio sulaukė plokštuminės elektrolizės elementai [7–8]. Skirtingai nuo vamzdinių elementų, plokščios ląstelės padaro gamybą kompaktiškesnę ir pagerina vandenilio gamybos efektyvumą [6]. Šiuo metu pagrindinė SOE pramoninio taikymo kliūtis yra ilgalaikis elektrolizės elemento stabilumas [8], be to, gali kilti elektrodų senėjimo ir deaktyvacijos problemų.