Напредак и економска анализа производње водоника електролизом чврстих оксида

Напредак и економска анализа производње водоника електролизом чврстих оксида

Електролизер чврстих оксида (SOE) користи водену пару високе температуре (600 ~ 900°C) за електролизу, што је ефикасније од алкалног електролизера и PEM електролизера. Шездесетих година прошлог века, Сједињене Америчке Државе и Немачка су почеле да спроводе истраживања SOE водене паре високе температуре. Принцип рада SOE електролизера је приказан на слици 4. Рециклирани водоник и водена пара улазе у реакциони систем са аноде. Водена пара се електролизује у водоник на катоди. O2 који производи катода креће се кроз чврсти електролит до аноде, где се рекомбинује да би формирао кисеоник и ослобађао електроне.

За разлику од алкалних и електролитских ћелија са протонском изменом, SOE електрода реагује у контакту са воденом паром и суочава се са изазовом максимизирања површине међуповршине између електроде и контакта са воденом паром. Стога, SOE електрода генерално има порозну структуру. Сврха електролизе воденом паром је смањење енергетског интензитета и смањење оперативних трошкова конвенционалне електролизе течне воде. У ствари, иако се укупна потребна енергија за реакцију разлагања воде благо повећава са повећањем температуре, потреба за електричном енергијом значајно се смањује. Како се температура електролите повећава, део потребне енергије се испоручује као топлота. SOE је способна да производи водоник у присуству извора топлоте високе температуре. Пошто се нуклеарни реактори са хлађењем гасом на високим температурама могу загрејати до 950°C, нуклеарна енергија се може користити као извор енергије за SOE. Истовремено, истраживања показују да обновљива енергија, попут геотермалне енергије, такође има потенцијал као извор топлоте за електролизу паре. Рад на високој температури може смањити напон батерије и повећати брзину реакције, али се такође суочава са изазовом термичке стабилности материјала и заптивања. Поред тога, гас који производи катода је смеша водоника, коју је потребно даље одвајати и пречишћавати, што повећава трошкове у поређењу са конвенционалном електролизом течне воде. Употреба керамике која проводи протоне, као што је стронцијум цирконат, смањује трошкове SOE. Стронцијум цирконат показује одличну протонску проводљивост на око 700°C и погодује катоди за производњу водоника високе чистоће, поједностављујући уређај за електролизу паром.

Јан и др. [6] су известили да је цирконијумска керамичка цев стабилизована калцијум оксидом коришћена као СОЕ носеће структуре, спољна површина је обложена танким (мањим од 0,25 мм) порозним лантан перовскитом као анодом и Ni/Y2O3 стабилним калцијум оксидним керметом као катодом. На 1000°C, 0,4 A/cm2 и улазној снази од 39,3 W, капацитет производње водоника јединице је 17,6 NL/h. Мана СОЕ је пренапон који настаје услед високих губитака отпора који су уобичајени на међусобним везама између ћелија, и висока концентрација пренапона због ограничења транспорта дифузије паре. Последњих година, планарне електролитичке ћелије су привукле велику пажњу [7-8]. За разлику од цевастих ћелија, равне ћелије чине производњу компактнијом и побољшавају ефикасност производње водоника [6]. Тренутно, главна препрека индустријској примени СОЕ је дугорочна стабилност електролитичке ћелије [8], а могу се појавити и проблеми старења и деактивације електрода.