Fremdrift og økonomisk analyse av hydrogenproduksjon ved elektrolyse av faste oksider

Fremdrift og økonomisk analyse av hydrogenproduksjon ved elektrolyse av faste oksider

Fastoksidelektrolysør (SOE) bruker høytemperatur vanndamp (600 ~ 900 °C) til elektrolyse, noe som er mer effektivt enn alkaliske elektrolysører og PEM-elektrolysører. På 1960-tallet begynte USA og Tyskland å forske på høytemperatur vanndamp-SOE. Virkemåten til SOE-elektrolysøren er vist i figur 4. Resirkulert hydrogen og vanndamp kommer inn i reaksjonssystemet fra anoden. Vanndampen elektrolyseres til hydrogen ved katoden. O2 som produseres av katoden beveger seg gjennom den faste elektrolytten til anoden, hvor den rekombineres for å danne oksygen og frigjøre elektroner.

I motsetning til alkaliske og protonutvekslingsmembranelektrolyseceller, reagerer SOE-elektroden med vanndampkontakt og står overfor utfordringen med å maksimere grensesnittområdet mellom elektroden og vanndampkontakten. Derfor har SOE-elektroden generelt en porøs struktur. Formålet med vanndampelektrolyse er å redusere energiintensiteten og driftskostnadene for konvensjonell flytende vannelektrolyse. Faktisk, selv om det totale energibehovet for vannnedbrytningsreaksjonen øker litt med økende temperatur, synker det elektriske energibehovet betydelig. Når den elektrolytiske temperaturen øker, tilføres deler av den nødvendige energien som varme. SOE er i stand til å produsere hydrogen i nærvær av en høytemperatur varmekilde. Siden høytemperatur gasskjølte kjernereaktorer kan varmes opp til 950 °C, kan kjernekraft brukes som energikilde for SOE. Samtidig viser forskningen at fornybar energi som geotermisk energi også har potensial som varmekilde for dampelektrolyse. Drift ved høy temperatur kan redusere batterispenningen og øke reaksjonshastigheten, men den står også overfor utfordringen med materialets termiske stabilitet og tetting. I tillegg er gassen som produseres av katoden en hydrogenblanding, som må separeres og renses ytterligere, noe som øker kostnadene sammenlignet med konvensjonell flytende vannelektrolyse. Bruken av protonledende keramikk, som strontiumzirkonat, reduserer kostnadene for SOE. Strontiumzirkonat viser utmerket protonledningsevne ved omtrent 700 °C, og bidrar til at katoden produserer hydrogen med høy renhet, noe som forenkler dampelektrolyseanordningen.

Yan et al. [6] rapporterte at zirkoniumkeramiske rør stabilisert med kalsiumoksid ble brukt som SOE i støttestrukturen, hvor den ytre overflaten var belagt med tynn (mindre enn 0,25 mm) porøs lantanperovskitt som anode og Ni/Y2O3 stabil kalsiumoksidkermet som katode. Ved 1000 °C, 0,4 A/cm2 og 39,3 W inngangseffekt, er enhetens hydrogenproduksjonskapasitet 17,6 NL/t. Ulempen med SOE er overspenningen som følge av høye ohm-tap som er vanlige ved sammenkoblingene mellom cellene, og den høye overspenningskonsentrasjonen på grunn av begrensningene i dampdiffusjonstransport. I de senere år har plane elektrolyseceller fått mye oppmerksomhet [7-8]. I motsetning til rørformede celler gjør flate celler produksjonen mer kompakt og forbedrer hydrogenproduksjonseffektiviteten [6]. For tiden er den største hindringen for industriell anvendelse av SOE den langsiktige stabiliteten til den elektrolysecellen [8], og problemer med aldring og deaktivering av elektroden kan oppstå.