Napredek in ekonomska analiza proizvodnje vodika z elektrolizo trdnih oksidov

Napredek in ekonomska analiza proizvodnje vodika z elektrolizo trdnih oksidov

Trdni oksidni elektrolizator (SOE) za elektrolizo uporablja visokotemperaturno vodno paro (600 ~ 900 °C), ki je učinkovitejša od alkalnega elektrolizatorja in PEM elektrolizatorja. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja so Združene države Amerike in Nemčija začele izvajati raziskave o visokotemperaturnem SOE z vodno paro. Načelo delovanja SOE elektrolizatorja je prikazano na sliki 4. Recikliran vodik in vodna para vstopata v reakcijski sistem iz anode. Vodna para se na katodi elektrolizira v vodik. O2, ki ga proizvaja katoda, se premika skozi trdni elektrolit do anode, kjer se rekombinira v kisik in sprošča elektrone.

Za razliko od alkalnih in protonsko izmenjalnih membranskih elektrolitskih celic SOE elektroda reagira s stikom z vodno paro in se sooča z izzivom maksimiranja površine vmesnika med elektrodo in stikom z vodno paro. Zato ima SOE elektroda običajno porozno strukturo. Namen elektrolize z vodno paro je zmanjšanje energijske intenzivnosti in obratovalnih stroškov konvencionalne elektrolize tekoče vode. Pravzaprav se skupna potreba po energiji za reakcijo razgradnje vode z naraščajočo temperaturo nekoliko poveča, potreba po električni energiji pa se znatno zmanjša. Z naraščanjem temperature elektrolize se del potrebne energije dovaja kot toplota. SOE je sposobna proizvajati vodik v prisotnosti visokotemperaturnega vira toplote. Ker se lahko visokotemperaturni plinsko hlajeni jedrski reaktorji segrejejo na 950 °C, se lahko jedrska energija uporabi kot vir energije za SOE. Hkrati raziskave kažejo, da ima obnovljiva energija, kot je geotermalna energija, tudi potencial kot vir toplote za parno elektrolizo. Delovanje pri visoki temperaturi lahko zmanjša napetost baterije in poveča hitrost reakcije, vendar se sooča tudi z izzivom toplotne stabilnosti in tesnjenja materiala. Poleg tega je plin, ki ga proizvaja katoda, mešanica vodika, ki jo je treba dodatno ločiti in očistiti, kar poveča stroške v primerjavi s konvencionalno elektrolizo tekoče vode. Uporaba protonsko prevodne keramike, kot je stroncijev cirkonat, zmanjšuje stroške elektrolize s paro. Stroncijev cirkonat kaže odlično protonsko prevodnost pri približno 700 °C in je ugoden za katodo pri proizvodnji visoko čistega vodika, kar poenostavi napravo za parno elektrolizo.

Yan in sodelavci [6] so poročali, da je bila kot SOE nosilne konstrukcije uporabljena cirkonijeva keramična cev, stabilizirana s kalcijevim oksidom, zunanja površina pa je bila prevlečena s tankim (manj kot 0,25 mm) poroznim lantanovim perovskitom kot anodo in Ni/Y2O3 stabilnim kalcijevim oksidnim cermetom kot katodo. Pri 1000 °C, 0,4 A/cm2 in vhodni moči 39,3 W je zmogljivost proizvodnje vodika enote 17,6 NL/h. Slabost SOE je prenapetost, ki je posledica visokih ohmskih izgub, ki so pogoste na medsebojnih povezavah med celicami, in visoka koncentracija prenapetosti zaradi omejitev difuzijskega transporta pare. V zadnjih letih so planarne elektrolitske celice pritegnile veliko pozornosti [7-8]. V nasprotju s cevastimi celicami ploščate celice omogočajo bolj kompaktno proizvodnjo in izboljšujejo učinkovitost proizvodnje vodika [6]. Trenutno je glavna ovira za industrijsko uporabo SOE dolgoročna stabilnost elektrolitske celice [8], kar lahko povzroči težave s staranjem in deaktivacijo elektrod.