Progresul și analiza economică a producției de hidrogen prin electroliza oxizilor solizi

Progresul și analiza economică a producției de hidrogen prin electroliza oxizilor solizi

Electrolizorul cu oxid solid (SOE) utilizează vapori de apă la temperatură înaltă (600 ~ 900°C) pentru electroliză, fiind mai eficient decât electrolizorul alcalin și electrolizorul PEM. În anii 1960, Statele Unite și Germania au început să efectueze cercetări asupra SOE cu vapori de apă la temperatură înaltă. Principiul de funcționare al electrolizorului SOE este prezentat în Figura 4. Hidrogenul reciclat și vaporii de apă intră în sistemul de reacție de la anod. Vaporii de apă sunt electrolizați în hidrogen la catod. O2 produs de catod se deplasează prin electrolitul solid către anod, unde se recombină pentru a forma oxigen și a elibera electroni.

Spre deosebire de celulele electrolitice alcaline și cele cu membrană schimbătoare de protoni, electrodul SOE reacționează cu contactul cu vaporii de apă și se confruntă cu provocarea de a maximiza aria de interfață dintre electrod și contactul cu vaporii de apă. Prin urmare, electrodul SOE are în general o structură poroasă. Scopul electrolizei cu vapori de apă este de a reduce intensitatea energetică și costurile de operare ale electrolizei convenționale a apei lichide. De fapt, deși necesarul total de energie al reacției de descompunere a apei crește ușor odată cu creșterea temperaturii, necesarul de energie electrică scade semnificativ. Pe măsură ce temperatura electrolitică crește, o parte din energia necesară este furnizată sub formă de căldură. SOE este capabil să producă hidrogen în prezența unei surse de căldură la temperatură înaltă. Deoarece reactoarele nucleare răcite cu gaz la temperatură înaltă pot fi încălzite la 950°C, energia nucleară poate fi utilizată ca sursă de energie pentru SOE. În același timp, cercetările arată că energia regenerabilă, cum ar fi energia geotermală, are și potențialul de a fi sursă de căldură pentru electroliza cu abur. Funcționarea la temperatură înaltă poate reduce tensiunea bateriei și crește viteza de reacție, dar se confruntă și cu provocarea stabilității termice și a etanșării materialului. În plus, gazul produs de catod este un amestec de hidrogen, care trebuie separat și purificat în continuare, ceea ce crește costul în comparație cu electroliza convențională a apei lichide. Utilizarea ceramicii conductoare de protoni, cum ar fi zirconatul de stronțiu, reduce costul SOE. Zirconatul de stronțiu prezintă o conductivitate protonică excelentă la aproximativ 700°C și este propice catodului pentru producerea de hidrogen de înaltă puritate, simplificând dispozitivul de electroliză cu abur.

Yan și colab. [6] au raportat că un tub ceramic de zirconiu stabilizat cu oxid de calciu a fost utilizat ca SOE al structurii de susținere, suprafața exterioară fiind acoperită cu perovskit de lantan poros subțire (mai puțin de 0,25 mm) ca anod și cermet de oxid de calciu stabil Ni/Y2O3 ca catod. La 1000°C, 0,4A/cm2 și o putere de intrare de 39,3W, capacitatea de producție de hidrogen a unității este de 17,6NL/h. Dezavantajul SOE este supratensiunea rezultată din pierderile mari de rezistență la înălțime, care sunt frecvente la interconexiunile dintre celule, și concentrația mare de supratensiune datorată limitărilor transportului de difuzie a vaporilor. În ultimii ani, celulele electrolitice planare au atras multă atenție [7-8]. Spre deosebire de celulele tubulare, celulele plate fac fabricația mai compactă și îmbunătățesc eficiența producției de hidrogen [6]. În prezent, principalul obstacol în calea aplicării industriale a SOE este stabilitatea pe termen lung a celulei electrolitice [8], putând fi cauzate de probleme de îmbătrânire și dezactivare a electrodului.