ความก้าวหน้าและการวิเคราะห์ทางเศรษฐกิจของการผลิตไฮโดรเจนโดยกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของออกไซด์ของแข็ง

ความก้าวหน้าและการวิเคราะห์ทางเศรษฐกิจของการผลิตไฮโดรเจนโดยกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของออกไซด์ของแข็ง

เครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบออกไซด์แข็ง (SOE) ใช้ไอน้ำอุณหภูมิสูง (600 ~ 900°C) ในกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบอัลคาไลน์และเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบ PEM ในช่วงทศวรรษ 1960 สหรัฐอเมริกาและเยอรมนีเริ่มทำการวิจัยเกี่ยวกับ SOE ที่ใช้ไอน้ำอุณหภูมิสูง หลักการทำงานของเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบ SOE แสดงในรูปที่ 4 ไฮโดรเจนที่นำกลับมาใช้ใหม่และไอน้ำเข้าสู่ระบบปฏิกิริยาจากขั้วบวก ไอน้ำจะถูกแยกด้วยไฟฟ้ากลายเป็นไฮโดรเจนที่ขั้วลบ ออกซิเจนที่ผลิตโดยขั้วลบจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์แข็งไปยังขั้วบวก ซึ่งจะรวมตัวกันใหม่เพื่อสร้างออกซิเจนและปล่อยอิเล็กตรอน

แตกต่างจากเซลล์อิเล็กโทรไลติกแบบอัลคาไลน์และเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน ขั้วไฟฟ้า SOE ทำปฏิกิริยากับไอน้ำและเผชิญกับความท้าทายในการเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างขั้วไฟฟ้ากับไอน้ำให้มากที่สุด ดังนั้น ขั้วไฟฟ้า SOE จึงมักมีโครงสร้างเป็นรูพรุน จุดประสงค์ของการอิเล็กโทรไลซิสไอน้ำคือการลดความเข้มข้นของพลังงานและลดต้นทุนการดำเนินงานของการอิเล็กโทรไลซิสน้ำเหลวแบบดั้งเดิม ในความเป็นจริง แม้ว่าความต้องการพลังงานทั้งหมดของปฏิกิริยาการสลายตัวของน้ำจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น แต่ความต้องการพลังงานไฟฟ้าจะลดลงอย่างมาก เมื่ออุณหภูมิการอิเล็กโทรไลซิสเพิ่มขึ้น ส่วนหนึ่งของพลังงานที่ต้องการจะถูกส่งมาในรูปของความร้อน SOE สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ในที่ที่มีแหล่งความร้อนอุณหภูมิสูง เนื่องจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ระบายความร้อนด้วยแก๊สอุณหภูมิสูงสามารถให้ความร้อนได้ถึง 950°C พลังงานนิวเคลียร์จึงสามารถใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับ SOE ได้ ในขณะเดียวกัน งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานความร้อนใต้พิภพ ก็มีศักยภาพเป็นแหล่งความร้อนสำหรับการอิเล็กโทรไลซิสไอน้ำเช่นกัน การทำงานที่อุณหภูมิสูงสามารถลดแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่และเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้ แต่ก็ต้องเผชิญกับความท้าทายด้านเสถียรภาพทางความร้อนของวัสดุและการปิดผนึก นอกจากนี้ ก๊าซที่ผลิตจากแคโทดเป็นส่วนผสมของไฮโดรเจน ซึ่งจำเป็นต้องแยกและทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติม ทำให้ต้นทุนสูงขึ้นเมื่อเทียบกับการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบดั้งเดิม การใช้เซรามิกนำโปรตอน เช่น สตรอนเทียมเซอร์โคเนต ช่วยลดต้นทุนของ SOE สตรอนเทียมเซอร์โคเนตแสดงคุณสมบัติการนำโปรตอนที่ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิประมาณ 700°C และเอื้อต่อการผลิตไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงจากแคโทด ทำให้เครื่องมือแยกไอน้ำด้วยไฟฟ้ามีโครงสร้างที่ง่ายขึ้น

Yan et al. [6] รายงานว่าท่อเซรามิกเซอร์โคเนียที่เสถียรด้วยแคลเซียมออกไซด์ถูกใช้เป็นโครงสร้างรองรับ SOE โดยพื้นผิวด้านนอกเคลือบด้วยแลนทานัมเพอร์รอฟสไกต์พรุนบาง (น้อยกว่า 0.25 มม.) เป็นแอโนด และเซรามิกแคลเซียมออกไซด์ Ni/Y2O3 ที่เสถียรเป็นแคโทด ที่อุณหภูมิ 1000°C กระแส 0.4A/cm2 และกำลังไฟฟ้าขาเข้า 39.3W ความสามารถในการผลิตไฮโดรเจนของหน่วยนี้อยู่ที่ 17.6NL/h ข้อเสียของ SOE คือแรงดันเกินที่เกิดจากการสูญเสียโอห์มสูงซึ่งพบได้ทั่วไปในการเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ และความเข้มข้นของแรงดันเกินสูงเนื่องจากข้อจำกัดของการขนส่งการแพร่กระจายของไอ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เซลล์อิเล็กโทรไลต์แบบแบนได้รับความสนใจอย่างมาก [7-8] เมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์แบบท่อ เซลล์แบบแบนทำให้การผลิตมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้นและปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจน [6] ในปัจจุบัน อุปสรรคสำคัญต่อการประยุกต์ใช้ SOE ในอุตสาหกรรมคือความเสถียรในระยะยาวของเซลล์อิเล็กโทรไลต์ [8] และอาจทำให้เกิดปัญหาการเสื่อมสภาพและการไม่ทำงานของอิเล็กโทรดได้