Pokrok a ekonomická analýza výroby vodíka elektrolýzou tuhých oxidov

Pokrok a ekonomická analýza výroby vodíka elektrolýzou tuhých oxidov

Elektrolyzér na tuhé oxidy (SOE) využíva na elektrolýzu vodnú paru s vysokou teplotou (600 ~ 900 °C), ktorá je účinnejšia ako alkalický elektrolyzér a PEM elektrolyzér. V 60. rokoch 20. storočia začali Spojené štáty a Nemecko vykonávať výskum SOE s vodnou parou s vysokou teplotou. Princíp fungovania elektrolyzéra SOE je znázornený na obrázku 4. Recyklovaný vodík a vodná para vstupujú do reakčného systému z anódy. Vodná para sa elektrolyzuje na vodík na katóde. O2 produkovaný katódou prechádza cez tuhý elektrolyt k anóde, kde sa rekombinuje za vzniku kyslíka a uvoľňuje elektróny.

Na rozdiel od alkalických a protónovo výmenných membránových elektrolytických článkov, SOE elektróda reaguje s kontaktom s vodnou parou a čelí výzve maximalizácie plochy rozhrania medzi elektródou a kontaktom s vodnou parou. Preto má SOE elektróda vo všeobecnosti poréznu štruktúru. Účelom elektrolýzy vodnou parou je znížiť energetickú náročnosť a znížiť prevádzkové náklady konvenčnej elektrolýzy kvapalnej vody. V skutočnosti, hoci celková energetická náročnosť reakcie rozkladu vody mierne rastie so zvyšujúcou sa teplotou, požiadavka na elektrickú energiu výrazne klesá. So zvyšujúcou sa teplotou elektrolytu sa časť požadovanej energie dodáva ako teplo. SOE je schopná produkovať vodík v prítomnosti vysokoteplotného zdroja tepla. Keďže vysokoteplotné plynom chladené jadrové reaktory je možné zahriať na 950 °C, jadrová energia sa môže použiť ako zdroj energie pre SOE. Zároveň výskum ukazuje, že obnoviteľná energia, ako je geotermálna energia, má tiež potenciál ako zdroj tepla pre parnú elektrolýzu. Prevádzka pri vysokej teplote môže znížiť napätie batérie a zvýšiť reakčnú rýchlosť, ale čelí aj výzve tepelnej stability a tesnosti materiálu. Okrem toho plyn produkovaný katódou je zmes vodíka, ktorú je potrebné ďalej separovať a čistiť, čo zvyšuje náklady v porovnaní s konvenčnou elektrolýzou kvapalnej vody. Použitie protónovo vodivej keramiky, ako je napríklad zirkoničitan strontnatý, znižuje náklady na SOE. Zirkoničitan strontnatý vykazuje vynikajúcu protónovú vodivosť pri teplote približne 700 °C a je priaznivý pre katódu na výrobu vysoko čistého vodíka, čím sa zjednodušuje zariadenie na parnú elektrolýzu.

Yan a kol. [6] uviedli, že ako SOE nosnej konštrukcie bola použitá keramická trubica zo zirkónia stabilizovaná oxidom vápenatým, ktorej vonkajší povrch bol potiahnutý tenkým (menej ako 0,25 mm) pórovitým lantánovým perovskitom ako anódou a cermetom zo stabilného oxidu vápenatého Ni/Y2O3 ako katódou. Pri teplote 1000 °C, prúde 0,4 A/cm2 a vstupnom výkone 39,3 W je kapacita jednotky na výrobu vodíka 17,6 NL/h. Nevýhodou SOE je prepätie vyplývajúce z vysokých ohmových strát, ktoré sú bežné na prepojeniach medzi článkami, a vysoká koncentrácia prepätia v dôsledku obmedzení transportu difúzie pár. V posledných rokoch priťahujú planárne elektrolytické články veľkú pozornosť [7-8]. Na rozdiel od rúrkových článkov, ploché články robia výrobu kompaktnejšou a zlepšujú účinnosť výroby vodíka [6]. V súčasnosti je hlavnou prekážkou priemyselného využitia SOE dlhodobá stabilita elektrolytického článku [8] a môžu byť spôsobené problémy so starnutím a deaktiváciou elektródy.