Postęp i analiza ekonomiczna produkcji wodoru metodą elektrolizy tlenków stałych

Postęp i analiza ekonomiczna produkcji wodoru metodą elektrolizy tlenków stałych

Elektrolizer tlenków stałych (SOE) wykorzystuje parę wodną o wysokiej temperaturze (600 ~ 900°C) do elektrolizy, co jest bardziej wydajne niż elektrolizer alkaliczny i elektrolizer PEM. W latach 60. XX wieku Stany Zjednoczone i Niemcy rozpoczęły badania nad wysokotemperaturowym elektrolizerem pary wodnej SOE. Zasada działania elektrolizera SOE jest pokazana na rysunku 4. Odzyskany wodór i para wodna wchodzą do układu reakcyjnego z anody. Para wodna jest elektrolizowana do wodoru na katodzie. O2 wytwarzany przez katodę przemieszcza się przez stały elektrolit do anody, gdzie rekombinuje, tworząc tlen i uwalniając elektrony.

W przeciwieństwie do ogniw elektrolitycznych z membraną wymiany protonów i alkalicznych, elektroda SOE reaguje z kontaktem z parą wodną i staje przed wyzwaniem maksymalizacji powierzchni styku między elektrodą a kontaktem z parą wodną. Dlatego elektroda SOE ma zazwyczaj porowatą strukturę. Celem elektrolizy pary wodnej jest zmniejszenie intensywności energetycznej i obniżenie kosztów operacyjnych konwencjonalnej elektrolizy wody w stanie ciekłym. W rzeczywistości, chociaż całkowite zapotrzebowanie na energię 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. SOE jest w stanie wytwarzać wodór w obecności źródła ciepła o wysokiej temperaturze. Ponieważ reaktory jądrowe chłodzone gazem o wysokiej temperaturze można ogrzać do 950°C, energię jądrową można wykorzystać jako źródło energii dla SOE. Jednocześnie badania pokazują, że energia odnawialna, taka jak energia geotermalna, ma również potencjał jako źródło ciepła elektrolizy parowej. Praca w wysokiej temperaturze może zmniejszyć napięcie akumulatora i zwiększyć szybkość reakcji, ale stoi również przed wyzwaniem stabilności termicznej materiału i uszczelnienia. Ponadto gaz wytwarzany przez katodę jest mieszaniną wodoru, która musi być dalej rozdzielana i oczyszczana, co zwiększa koszty w porównaniu z konwencjonalną elektrolizą wody ciekłej. Zastosowanie ceramiki przewodzącej protony, takiej jak cyrkonian strontu, obniża koszty SOE. Cyrkonian strontu wykazuje doskonałą przewodność protonów w temperaturze około 700°C i sprzyja katodzie w produkcji wodoru o wysokiej czystości, upraszczając urządzenie do 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 przez jednostkę 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 dyfuzyjnego 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 poprawiają 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.