Ūdeņraža ražošanas ar cieto oksīdu elektrolīzi progress un ekonomiskā analīze

Ūdeņraža ražošanas ar cieto oksīdu elektrolīzi progress un ekonomiskā analīze

Cietvielu oksīdu elektrolizators (SOE) elektrolīzei izmanto augstas temperatūras ūdens tvaikus (600–900 °C), kas ir efektīvāk nekā sārmains elektrolizators un PEM elektrolizators. 20. gs. sešdesmitajos gados Amerikas Savienotās Valstis un Vācija sāka veikt pētījumus par augstas temperatūras ūdens tvaiku SOE. SOE elektrolizatora darbības princips ir parādīts 4. attēlā. Pārstrādāts ūdeņradis un ūdens tvaiki nonāk reakcijas sistēmā no anoda. Katodā ūdens tvaiki tiek elektrolizēti par ūdeņradi. Katoda saražotais O2 pārvietojas caur cieto elektrolītu uz anodu, kur tas atkalapvienojas, veidojot skābekli un atbrīvojot elektronus.

Atšķirībā no sārmainās un protonu apmaiņas membrānas elektrolītiskajām šūnām, SOE elektrods reaģē ar ūdens tvaiku kontaktu un saskaras ar izaicinājumu maksimāli palielināt saskarnes laukumu starp elektrodu un ūdens tvaiku kontaktu. Tāpēc SOE elektrodam parasti ir poraina struktūra. Ūdens tvaiku elektrolīzes mērķis ir samazināt enerģijas intensitāti un samazināt parastās šķidrā ūdens elektrolīzes ekspluatācijas izmaksas. Faktiski, lai gan kopējā ūdens sadalīšanās reakcijas enerģijas nepieciešamība nedaudz palielinās, palielinoties temperatūrai, elektroenerģijas nepieciešamība ievērojami samazinās. Pieaugot elektrolīzes temperatūrai, daļa no nepieciešamās enerģijas tiek piegādāta kā siltums. SOE spēj ražot ūdeņradi augstas temperatūras siltuma avota klātbūtnē. Tā kā augstas temperatūras ar gāzi dzesējamus kodolreaktorus var uzsildīt līdz 950 °C, kodolenerģiju var izmantot kā enerģijas avotu SOE. Vienlaikus pētījumi liecina, ka arī atjaunojamajai enerģijai, piemēram, ģeotermālajai enerģijai, ir potenciāls kā tvaika elektrolīzes siltuma avotam. Darbība augstā temperatūrā var samazināt akumulatora spriegumu un palielināt reakcijas ātrumu, taču tā saskaras arī ar materiāla termiskās stabilitātes un blīvējuma problēmām. Turklāt katoda saražotā gāze ir ūdeņraža maisījums, kas ir tālāk jāatdala un jāattīra, palielinot izmaksas salīdzinājumā ar parasto šķidrā ūdens elektrolīzi. Protonu vadošas keramikas, piemēram, stroncija cirkonāta, izmantošana samazina SOE izmaksas. Stroncija cirkonātam ir lieliska protonu vadītspēja aptuveni 700 °C temperatūrā, un tas veicina katoda augstas tīrības pakāpes ūdeņraža ražošanu, vienkāršojot tvaika elektrolīzes ierīci.

Jans un līdzautori [6] ziņoja, ka kā nesošās konstrukcijas elektrolītiskais elements (SOE) tika izmantota ar kalcija oksīdu stabilizēta cirkonija keramikas caurule, kuras ārējā virsma bija pārklāta ar plānu (mazāk nekā 0,25 mm) porainu lantāna perovskītu kā anodu un Ni/Y2O3 stabilu kalcija oksīda kermetu kā katodu. Pie 1000°C, 0,4A/cm2 un 39,3W ieejas jaudas, iekārtas ūdeņraža ražošanas jauda ir 17,6NL/h. SOE trūkums ir pārspriegums, kas rodas lielo omu zudumu dēļ, kas ir bieži sastopami savienojumos starp elementiem, un augstā pārsprieguma koncentrācija tvaika difūzijas transporta ierobežojumu dēļ. Pēdējos gados lielu uzmanību ir piesaistījušas plaknes elektrolītiskās šūnas [7-8]. Atšķirībā no cauruļveida šūnām, plakanās šūnas padara ražošanu kompaktāku un uzlabo ūdeņraža ražošanas efektivitāti [6]. Pašlaik galvenais šķērslis SOE rūpnieciskai izmantošanai ir elektrolītiskās šūnas ilgtermiņa stabilitāte [8], un var rasties elektrodu novecošanās un deaktivācijas problēmas.