Postęp i analiza ekonomiczna produkcji wodoru metodą elektrolizy tlenków stałych
Elektrolizer tlenkowy (SOE) wykorzystuje do elektrolizy wysokotemperaturową parę wodną (600–900°C), co jest bardziej wydajne niż elektrolizer alkaliczny i elektrolizer PEM. W latach 60. XX wieku Stany Zjednoczone i Niemcy rozpoczęły badania nad wysokotemperaturowym elektrolizerem tlenkowym SOE. Zasada działania elektrolizera SOE została przedstawiona na rysunku 4. Odzyskany wodór i para wodna przedostają się do układu reakcyjnego z anody. Para wodna jest elektrolizowana do wodoru na katodzie. O2 wytwarzany przez katodę przemieszcza się przez elektrolit stały do anody, gdzie ulega rekombinacji, tworząc tlen i uwalniając elektrony.
W przeciwieństwie do alkalicznych i protonowych ogniw elektrolitycznych, elektroda SOE reaguje w kontakcie z parą wodną i stoi przed wyzwaniem maksymalizacji powierzchni styku między elektrodą a parą wodną. Dlatego elektroda SOE ma zazwyczaj porowatą strukturę. Celem elektrolizy pary wodnej jest zmniejszenie intensywności energetycznej i obniżenie kosztów operacyjnych konwencjonalnej elektrolizy ciekłej wody. W rzeczywistości, chociaż całkowite zapotrzebowanie na energię w reakcji rozkładu wody nieznacznie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, zapotrzebowanie na energię elektryczną znacznie spada. Wraz ze wzrostem temperatury elektrolitu, część wymaganej energii jest dostarczana w postaci ciepła. Elektrolizer SOE jest zdolny do produkcji wodoru w obecności wysokotemperaturowego źródła ciepła. Ponieważ wysokotemperaturowe reaktory jądrowe chłodzone gazem mogą być podgrzewane do 950°C, energia jądrowa może być wykorzystywana jako źródło energii dla elektrolizy SOE. Jednocześnie badania pokazują, że energia odnawialna, taka jak energia geotermalna, również ma potencjał jako źródło ciepła w elektrolizie parowej. Praca w wysokiej temperaturze może obniżyć napięcie akumulatora i zwiększyć szybkość reakcji, ale wiąże się to również z wyzwaniem zapewnienia stabilności termicznej i szczelności materiału. Ponadto gaz wytwarzany przez katodę jest mieszaniną wodoru, która wymaga dalszego rozdzielenia i oczyszczenia, co zwiększa koszty w porównaniu z konwencjonalną elektrolizą ciekłej wody. Zastosowanie ceramiki przewodzącej protony, takiej jak cyrkonian strontu, obniża koszty elektrolizy SOE. Cyrkonian strontu charakteryzuje się doskonałą przewodnością protonów w temperaturze około 700°C i sprzyja wytwarzaniu przez katodę wodoru o wysokiej czystości, co upraszcza proces elektrolizy parowej.
Yan i in. [6] podali, że rurka ceramiczna z cyrkonii stabilizowana tlenkiem wapnia została użyta jako SOE konstrukcji nośnej, powierzchnia zewnętrzna została pokryta cienkim (mniej niż 0,25 mm) porowatym perowskitem lantanu jako anodą i stabilnym cermetem tlenku wapnia Ni/Y2O3 jako katodą. Przy 1000°C, 0,4 A/cm2 i mocy wejściowej 39,3 W, wydajność produkcji wodoru jednostki wynosi 17,6 NL/h. Wadą SOE jest przepięcie wynikające z wysokich strat omów, które są powszechne na połączeniach między ogniwami, oraz wysokie stężenie przepięć spowodowane ograniczeniami transportu dyfuzji pary. W ostatnich latach planarne ogniwa elektrolityczne przyciągnęły wiele uwagi [7-8]. W przeciwieństwie do ogniw rurowych, płaskie ogniwa sprawiają, że produkcja jest bardziej zwarta i poprawia wydajność produkcji wodoru [6]. Obecnie główną przeszkodą w przemysłowym zastosowaniu SOE jest długoterminowa stabilność ogniwa elektrolitycznego [8], a przyczyną mogą być problemy związane ze starzeniem się i dezaktywacją elektrod.
Czas publikacji: 06-02-2023