ความก้าวหน้าและการวิเคราะห์ทางเศรษฐกิจของการผลิตไฮโดรเจนโดยการอิเล็กโทรไลซิสของออกไซด์ของแข็ง

ความก้าวหน้าและการวิเคราะห์ทางเศรษฐกิจของการผลิตไฮโดรเจนโดยการอิเล็กโทรไลซิสของออกไซด์ของแข็ง

เครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ออกไซด์ของแข็ง (SOE) ใช้ไอน้ำอุณหภูมิสูง (600 ~ 900°C) สำหรับอิเล็กโทรไลซิส ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์แบบด่างและเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ PEM ในช่วงทศวรรษ 1960 สหรัฐอเมริกาและเยอรมนีเริ่มทำการวิจัยเกี่ยวกับ SOE ไอน้ำอุณหภูมิสูง หลักการทำงานของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ SOE แสดงไว้ในรูปที่ 4 ไฮโดรเจนและไอน้ำที่นำกลับมาใช้ใหม่เข้าสู่ระบบปฏิกิริยาจากขั้วบวก ไอน้ำจะถูกอิเล็กโทรไลซ์เป็นไฮโดรเจนที่ขั้วลบ O2 ที่ผลิตขึ้นจากขั้วลบจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์ของแข็งไปยังขั้วบวก ซึ่งจะรวมตัวกันอีกครั้งเพื่อสร้างออกซิเจนและปลดปล่อยอิเล็กตรอน

ต่างจากเซลล์อิเล็กโทรไลต์แบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนและด่าง อิเล็กโทรด SOE ทำปฏิกิริยากับการสัมผัสไอน้ำ และเผชิญกับความท้าทายในการเพิ่มพื้นที่อินเทอร์เฟซระหว่างอิเล็กโทรดและการสัมผัสไอน้ำให้สูงสุด ดังนั้น อิเล็กโทรด SOE จึงมีโครงสร้างพรุนโดยทั่วไป วัตถุประสงค์ของอิเล็กโทรไลต์ไอน้ำคือเพื่อลดความเข้มของพลังงานและลดต้นทุนการดำเนินงานของอิเล็กโทรไลต์น้ำเหลวแบบเดิม ในความเป็นจริง แม้ว่าความต้องการพลังงานทั้งหมดของปฏิกิริยาการสลายตัวของน้ำจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น แต่ความต้องการพลังงานไฟฟ้าจะลดลงอย่างมาก เมื่ออุณหภูมิของอิเล็กโทรไลต์เพิ่มขึ้น ส่วนหนึ่งของพลังงานที่ต้องการจะถูกส่งไปยังความร้อน SOE สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ในที่ที่มีแหล่งความร้อนอุณหภูมิสูง เนื่องจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ระบายความร้อนด้วยก๊าซอุณหภูมิสูงสามารถให้ความร้อนได้ถึง 950°C จึงสามารถใช้พลังงานนิวเคลียร์เป็นแหล่งพลังงานสำหรับ SOE ได้ ในเวลาเดียวกัน การวิจัยแสดงให้เห็นว่าพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานความร้อนใต้พิภพ ยังมีศักยภาพในการเป็นแหล่งความร้อนของอิเล็กโทรไลต์ไอน้ำอีกด้วย การทำงานที่อุณหภูมิสูงสามารถลดแรงดันไฟของแบตเตอรี่และเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้ แต่ยังต้องเผชิญกับความท้าทายในเรื่องเสถียรภาพทางความร้อนของวัสดุและการปิดผนึกอีกด้วย นอกจากนี้ ก๊าซที่ผลิตโดยแคโทดเป็นส่วนผสมของไฮโดรเจน ซึ่งจำเป็นต้องแยกและทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติม ทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับอิเล็กโทรไลซิสน้ำเหลวแบบเดิม การใช้เซรามิกที่นำโปรตอนได้ เช่น สตรอนเซียมเซอร์โคเนต ช่วยลดต้นทุนของ SOE ได้ สตรอนเซียมเซอร์โคเนตมีคุณสมบัติการนำโปรตอนได้ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิประมาณ 700°C และเอื้อต่อแคโทดในการผลิตไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง ทำให้อุปกรณ์อิเล็กโทรไลซิสด้วยไอน้ำง่ายขึ้น

Yan et al. [6] รายงานว่าหลอดเซรามิกเซอร์โคเนียที่เสถียรด้วยแคลเซียมออกไซด์ถูกใช้เป็น SOE ของโครงสร้างรองรับ พื้นผิวด้านนอกเคลือบด้วยเพอรอฟสไกต์แลนทานัมที่มีรูพรุนบาง (น้อยกว่า 0.25 มม.) เป็นขั้วบวก และเซอร์เมทแคลเซียมออกไซด์เสถียร Ni/Y2O3 เป็นขั้วลบ ที่อุณหภูมิ 1,000°C 0.4A/cm2 และกำลังไฟเข้า 39.3W กำลังการผลิตไฮโดรเจนของหน่วยคือ 17.6NL/ชม. ข้อเสียของ SOE คือแรงดันไฟฟ้าเกินที่เกิดจากการสูญเสียโอห์มสูงซึ่งมักเกิดขึ้นที่การเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ และความเข้มข้นของแรงดันไฟฟ้าเกินสูงเนื่องจากข้อจำกัดของการขนส่งการแพร่กระจายไอ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เซลล์อิเล็กโทรไลต์แบบระนาบได้รับความสนใจอย่างมาก [7-8] เซลล์แบบแบนทำให้การผลิตมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้นและปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจน [6] เมื่อเทียบกับเซลล์แบบท่อ ในปัจจุบัน อุปสรรคหลักต่อการประยุกต์ใช้ SOE ในอุตสาหกรรมคือเสถียรภาพในระยะยาวของเซลล์อิเล็กโทรไลต์ [8] และอาจเกิดปัญหาการเสื่อมสภาพและการใช้งานไม่ได้ของอิเล็กโทรด