Анализ прогресса и экономической эффективности производства водорода методом электролиза твердых оксидов.

Анализ прогресса и экономической эффективности производства водорода методом электролиза твердых оксидов.

Твердооксидный электролизер (ТОЭ) использует высокотемпературный водяной пар (600–900 °C) для электролиза, что делает его более эффективным, чем щелочные электролизеры и электролизеры с протонно-обменной мембраной (ПЭМ). В 1960-х годах США и Германия начали исследования высокотемпературных ТЭЭ на основе водяного пара. Принцип работы ТЭЭ-электролитера показан на рисунке 4. Рециркулируемый водород и водяной пар поступают в реакционную систему с анода. На катоде водяной пар электролизуется в водород. Образовавшийся на катоде кислород (O2) перемещается через твердый электролит к аноду, где он рекомбинирует, образуя кислород и высвобождая электроны.

В отличие от щелочных и протонно-обменных мембранных электролитических ячеек, электрод SOE реагирует с водяным паром и сталкивается с проблемой максимизации площади контакта между электродом и водяным паром. Поэтому электрод SOE обычно имеет пористую структуру. Целью электролиза водяного пара является снижение энергоемкости и эксплуатационных расходов по сравнению с традиционным электролизом жидкой воды. На самом деле, хотя общая потребность в энергии для реакции разложения воды незначительно возрастает с повышением температуры, потребность в электроэнергии значительно снижается. По мере повышения температуры электролиза часть необходимой энергии поступает в виде тепла. Электрохимическая ячейка SOE способна производить водород в присутствии высокотемпературного источника тепла. Поскольку высокотемпературные газоохлаждаемые ядерные реакторы могут нагреваться до 950 °C, ядерная энергия может использоваться в качестве источника энергии для электрохимической ячейки SOE. В то же время исследования показывают, что возобновляемая энергия, такая как геотермальная энергия, также имеет потенциал в качестве источника тепла для электролиза пара. Работа при высокой температуре может снизить напряжение батареи и увеличить скорость реакции, но также сталкивается с проблемой термической стабильности материала и герметизации. Кроме того, газ, образующийся на катоде, представляет собой водородную смесь, которую необходимо дополнительно разделять и очищать, что увеличивает стоимость по сравнению с традиционным электролизом жидкой воды. Использование протонпроводящей керамики, такой как цирконат стронция, снижает стоимость электролиза пара. Цирконат стронция демонстрирует превосходную протонную проводимость при температуре около 700 °C и способствует получению на катоде водорода высокой чистоты, упрощая устройство для электролиза пара.

Ян и др. [6] сообщили, что в качестве твердооксидного электролитического элемента опорной конструкции использовалась циркониевая керамическая трубка, стабилизированная оксидом кальция; ее внешняя поверхность была покрыта тонким (менее 0,25 мм) пористым перовскитом лантана в качестве анода, а катод – стабильным керметом оксида кальция Ni/Y2O3. При 1000 °C, 0,4 А/см2 и входной мощности 39,3 Вт производительность установки по производству водорода составляет 17,6 Нл/ч. Недостатком твердооксидного электролитического элемента является перенапряжение, возникающее из-за высоких омических потерь, характерных для межсоединений между ячейками, и высокая концентрация перенапряжения из-за ограничений диффузионного переноса пара. В последние годы планарные электролитические ячейки привлекли большое внимание [7-8]. В отличие от трубчатых ячеек, плоские ячейки обеспечивают более компактное производство и повышают эффективность производства водорода [6]. В настоящее время основным препятствием для промышленного применения SOE является долговременная стабильность электролитической ячейки [8], а также могут возникать проблемы старения и деактивации электродов.