Framsteg och ekonomisk analys av vätgasproduktion genom elektrolys av fasta oxider

Framsteg och ekonomisk analys av vätgasproduktion genom elektrolys av fasta oxider

Fastoxidelektrolysör (SOE) använder högtemperaturvattenånga (600 ~ 900 °C) för elektrolys, vilket är mer effektivt än alkaliska elektrolysörer och PEM-elektrolysörer. På 1960-talet började USA och Tyskland bedriva forskning om högtemperaturvattenånga i SOE. Funktionsprincipen för SOE-elektrolysören visas i figur 4. Återvunnet väte och vattenånga kommer in i reaktionssystemet från anoden. Vattenångan elektrolyseras till väte vid katoden. O2 som produceras av katoden rör sig genom den fasta elektrolyten till anoden, där den rekombineras för att bilda syre och frigöra elektroner.

Till skillnad från alkaliska och protonutbytesmembranelektrolytiska celler reagerar SOE-elektroden med vattenångkontakt och står inför utmaningen att maximera gränssnittsarean mellan elektroden och vattenångkontakten. Därför har SOE-elektroden generellt en porös struktur. Syftet med vattenångelektrolys är att minska energiintensiteten och driftskostnaden för konventionell flytande vattenelektrolys. Faktum är att även om det totala energibehovet för vattensönderdelningsreaktionen ökar något med ökande temperatur, minskar det elektriska energibehovet avsevärt. När den elektrolytiska temperaturen ökar tillförs en del av den energi som krävs som värme. SOE:n kan producera väte i närvaro av en högtemperaturvärmekälla. Eftersom högtemperaturgaskylda kärnreaktorer kan värmas upp till 950 °C kan kärnenergi användas som energikälla för SOE:n. Samtidigt visar forskningen att förnybar energi, såsom geotermisk energi, också har potential som värmekälla för ångelektrolys. Drift vid hög temperatur kan minska batterispänningen och öka reaktionshastigheten, men den står också inför utmaningen med materialets termiska stabilitet och tätning. Dessutom är gasen som produceras av katoden en väteblandning, som behöver separeras och renas ytterligare, vilket ökar kostnaden jämfört med konventionell flytande vattenelektrolys. Användningen av protonledande keramik, såsom strontiumzirkonat, minskar kostnaden för SOE. Strontiumzirkonat uppvisar utmärkt protonledningsförmåga vid cirka 700 °C och bidrar till att katoden producerar väte med hög renhet, vilket förenklar ångelektrolysanordningen.

Yan et al. [6] rapporterade att zirkoniumkeramiska rör stabiliserade med kalciumoxid användes som SOE i stödstrukturen, varvid den yttre ytan belagdes med tunn (mindre än 0,25 mm) porös lantanperovskit som anod och Ni/Y2O3 stabil kalciumoxidkermet som katod. Vid 1000 °C, 0,4 A/cm2 och 39,3 W ingångseffekt är enhetens vätgasproduktionskapacitet 17,6 NL/h. Nackdelen med SOE är överspänningen till följd av höga ohmförluster som är vanliga vid sammankopplingarna mellan cellerna, och den höga överspänningskoncentrationen på grund av begränsningar i ångdiffusionstransport. På senare år har plana elektrolytiska celler fått mycket uppmärksamhet [7-8]. Till skillnad från rörformiga celler gör platta celler tillverkningen mer kompakt och förbättrar vätgasproduktionseffektiviteten [6]. För närvarande är det största hindret för industriell tillämpning av SOE den långsiktiga stabiliteten hos den elektrolytiska cellen [8], och problem med elektrodåldring och deaktivering kan orsakas.