Voortgang en economische analyse van waterstofproductie door elektrolyse van vaste oxiden
Een vaste-oxide-elektrolyzer (SOE) gebruikt waterdamp bij hoge temperaturen (600-900 °C) voor elektrolyse, wat efficiënter is dan een alkalische elektrolyzer en een PEM-elektrolyzer. In de jaren zestig begonnen de Verenigde Staten en Duitsland onderzoek te doen naar SOE's met waterdamp bij hoge temperaturen. Het werkingsprincipe van een SOE-elektrolyzer wordt weergegeven in figuur 4. Gerecyclede waterstof en waterdamp komen via de anode in het reactiesysteem terecht. De waterdamp wordt bij de kathode geëlektrolyseerd tot waterstof. De door de kathode geproduceerde O2 beweegt door de vaste elektrolyt naar de anode, waar het recombineert tot zuurstof en elektronen vrijgeeft.
In tegenstelling tot alkalische en protonuitwisselingsmembraan-elektrolysecellen reageert de SOE-elektrode met waterdamp en staat de uitdaging om het contactoppervlak tussen de elektrode en de waterdamp te maximaliseren. Daarom heeft de SOE-elektrode over het algemeen een poreuze structuur. Het doel van waterdamp-elektrolyse is het verminderen van de energie-intensiteit en de operationele kosten van conventionele vloeibare water-elektrolyse. Hoewel de totale energiebehoefte voor de waterontledingsreactie licht toeneemt met stijgende temperatuur, neemt de elektrische energiebehoefte aanzienlijk af. Naarmate de elektrolytische temperatuur stijgt, wordt een deel van de benodigde energie als warmte geleverd. De SOE is in staat waterstof te produceren in aanwezigheid van een warmtebron met hoge temperatuur. Omdat gasgekoelde kernreactoren temperaturen tot 950 °C kunnen bereiken, kan kernenergie als energiebron voor de SOE worden gebruikt. Tegelijkertijd blijkt uit onderzoek dat hernieuwbare energiebronnen zoals geothermische energie ook potentieel hebben als warmtebron voor stoom-elektrolyse. Werken bij hoge temperaturen kan de batterijspanning verlagen en de reactiesnelheid verhogen, maar brengt ook uitdagingen met zich mee op het gebied van thermische stabiliteit en afdichting van het materiaal. Daarnaast is het gas dat door de kathode wordt geproduceerd een waterstofmengsel, dat verder moet worden gescheiden en gezuiverd, waardoor de kosten hoger uitvallen dan bij conventionele elektrolyse met vloeibaar water. Het gebruik van protongeleidende keramiek, zoals strontiumzirconaat, verlaagt de kosten van SOE. Strontiumzirconaat vertoont een uitstekende protongeleidbaarheid bij ongeveer 700 °C en is bevorderlijk voor de productie van zeer zuivere waterstof door de kathode, waardoor het stoom-elektrolyse-apparaat wordt vereenvoudigd.
Yan et al. [6] rapporteerden dat een met calciumoxide gestabiliseerde zirkoniumoxide keramische buis werd gebruikt als SOE van de ondersteunende structuur, waarbij het buitenoppervlak werd bedekt met een dunne (minder dan 0,25 mm) poreuze lanthaanperovskietlaag als anode en een stabiele Ni/Y2O3 calciumoxidecermet als kathode. Bij 1000 °C, 0,4 A/cm² en een ingangsvermogen van 39,3 W bedraagt de waterstofproductiecapaciteit van de eenheid 17,6 NL/h. Het nadeel van SOE is de overspanning die ontstaat door de hoge ohmse verliezen die vaak voorkomen bij de verbindingen tussen de cellen, en de hoge overspanningsconcentratie als gevolg van de beperkingen van dampdiffusietransport. De laatste jaren hebben vlakke elektrolytische cellen veel aandacht gekregen [7-8]. In tegenstelling tot buisvormige cellen maken vlakke cellen de productie compacter en verbeteren ze de efficiëntie van de waterstofproductie [6]. Momenteel is het belangrijkste obstakel voor de industriële toepassing van SOE de stabiliteit op lange termijn van de elektrolytische cel [8], en de problemen van elektrodeveroudering en -deactivering kunnen hierdoor ontstaan.
Geplaatst op: 06-02-2023