Kemajuan dan analisis ekonomi penghasilan hidrogen melalui elektrolisis oksida pepejal

Kemajuan dan analisis ekonomi penghasilan hidrogen melalui elektrolisis oksida pepejal

Elektrolisis oksida pepejal (SOE) menggunakan wap air suhu tinggi (600 ~ 900°C) untuk elektrolisis, yang lebih cekap daripada elektrolisis alkali dan elektrolisis PEM. Pada tahun 1960-an, Amerika Syarikat dan Jerman mula menjalankan penyelidikan mengenai SOE wap air suhu tinggi. Prinsip kerja elektrolisis SOE ditunjukkan dalam Rajah 4. Hidrogen dan wap air kitar semula memasuki sistem tindak balas dari anod. Wap air dielektrolisis menjadi hidrogen di katod. O2 yang dihasilkan oleh katod bergerak melalui elektrolit pepejal ke anod, di mana ia bergabung semula untuk membentuk oksigen dan melepaskan elektron.

Tidak seperti sel elektrolitik membran alkali dan pertukaran proton, elektrod SOE bertindak balas dengan sentuhan wap air dan menghadapi cabaran untuk memaksimumkan kawasan antara muka antara elektrod dan sentuhan wap air. Oleh itu, elektrod SOE secara amnya mempunyai struktur berliang. Tujuan elektrolisis wap air adalah untuk mengurangkan keamatan tenaga dan mengurangkan kos operasi elektrolisis air cecair konvensional. Malah, walaupun jumlah keperluan tenaga tindak balas penguraian air meningkat sedikit dengan peningkatan suhu, keperluan tenaga elektrik berkurangan dengan ketara. Apabila suhu elektrolitik meningkat, sebahagian daripada tenaga yang diperlukan dibekalkan sebagai haba. SOE mampu menghasilkan hidrogen dengan kehadiran sumber haba suhu tinggi. Memandangkan reaktor nuklear yang disejukkan gas suhu tinggi boleh dipanaskan hingga 950°C, tenaga nuklear boleh digunakan sebagai sumber tenaga untuk SOE. Pada masa yang sama, kajian menunjukkan bahawa tenaga boleh diperbaharui seperti tenaga geoterma juga berpotensi sebagai sumber haba elektrolisis wap. Beroperasi pada suhu tinggi boleh mengurangkan voltan bateri dan meningkatkan kadar tindak balas, tetapi ia juga menghadapi cabaran kestabilan haba dan pengedap bahan. Di samping itu, gas yang dihasilkan oleh katod merupakan campuran hidrogen, yang perlu diasingkan dan ditulenkan selanjutnya, sekali gus meningkatkan kos berbanding elektrolisis air cecair konvensional. Penggunaan seramik pengalir proton, seperti strontium zirkonat, mengurangkan kos SOE. Strontium zirkonat menunjukkan kekonduksian proton yang sangat baik pada kira-kira 700°C, dan kondusif untuk katod menghasilkan hidrogen ketulenan tinggi, sekali gus memudahkan peranti elektrolisis stim.

Yan et al. [6] melaporkan bahawa tiub seramik zirkonia yang distabilkan oleh kalsium oksida telah digunakan sebagai SOE bagi struktur sokongan, permukaan luar disalut dengan perovskit lantanum berliang nipis (kurang daripada 0.25mm) sebagai anod, dan semet kalsium oksida stabil Ni/Y2O3 sebagai katod. Pada suhu 1000°C, 0.4A/cm2 dan kuasa input 39.3W, kapasiti pengeluaran hidrogen unit tersebut ialah 17.6NL/j. Kelemahan SOE ialah voltan lampau yang terhasil daripada kehilangan ohm yang tinggi yang biasa berlaku pada sambungan antara sel, dan kepekatan voltan lampau yang tinggi disebabkan oleh batasan pengangkutan resapan wap. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, sel elektrolitik satah telah menarik banyak perhatian [7-8]. Berbeza dengan sel tiub, sel rata menjadikan pembuatan lebih padat dan meningkatkan kecekapan pengeluaran hidrogen [6]. Pada masa ini, halangan utama kepada aplikasi perindustrian SOE ialah kestabilan jangka panjang sel elektrolitik [8], dan masalah penuaan dan penyahaktifan elektrod mungkin disebabkan.