Pag-unlad at pagsusuring pang-ekonomiya ng produksyon ng hydrogen sa pamamagitan ng electrolysis ng mga solid oxide

Pag-unlad at pagsusuring pang-ekonomiya ng produksyon ng hydrogen sa pamamagitan ng electrolysis ng mga solid oxide

Ang solid oxide electrolyzer (SOE) ay gumagamit ng singaw ng tubig na may mataas na temperatura (600 ~ 900°C) para sa electrolysis, na mas mahusay kaysa sa alkaline electrolyzer at PEM electrolyzer. Noong dekada 1960, nagsimulang magsagawa ng pananaliksik ang Estados Unidos at Alemanya sa SOE na may mataas na temperaturang singaw ng tubig. Ang prinsipyo ng paggana ng SOE electrolyzer ay ipinapakita sa Figure 4. Ang niresiklong hydrogen at singaw ng tubig ay pumapasok sa sistema ng reaksyon mula sa anode. Ang singaw ng tubig ay kino-electrolyze upang maging hydrogen sa cathode. Ang O2 na nalilikha ng cathode ay dumadaan sa solid electrolyte patungo sa anode, kung saan ito ay muling nagsasama-sama upang bumuo ng oxygen at naglalabas ng mga electron.

Hindi tulad ng mga electrolytic cell ng alkaline at proton exchange membrane, ang SOE electrode ay tumutugon sa water vapor contact at nahaharap sa hamon ng pag-maximize sa interface area sa pagitan ng electrode at water vapor contact. Samakatuwid, ang SOE electrode sa pangkalahatan ay may porous na istraktura. Ang layunin ng water vapor electrolysis ay upang mabawasan ang intensity ng enerhiya at mabawasan ang operating cost ng conventional liquid water electrolysis. Sa katunayan, bagama't ang kabuuang pangangailangan ng enerhiya ng water decomposition reaction ay bahagyang tumataas kasabay ng pagtaas ng temperatura, ang pangangailangan ng electrical energy ay bumababa nang malaki. Habang tumataas ang electrolytic temperature, ang bahagi ng enerhiyang kailangan ay ibinibigay bilang init. Ang SOE ay may kakayahang gumawa ng hydrogen sa presensya ng high-temperature heat source. Dahil ang high-temperature gas-cooled nuclear reactors ay maaaring painitin sa 950°C, ang nuclear energy ay maaaring gamitin bilang pinagkukunan ng enerhiya para sa SOE. Kasabay nito, ipinapakita ng pananaliksik na ang renewable energy tulad ng geothermal energy ay mayroon ding potensyal bilang pinagmumulan ng init ng steam electrolysis. Ang pagpapatakbo sa mataas na temperatura ay maaaring magpababa ng boltahe ng baterya at magpataas ng reaction rate, ngunit nahaharap din ito sa hamon ng material thermal stability at sealing. Bukod pa rito, ang gas na nalilikha ng cathode ay isang pinaghalong hydrogen, na kailangang higit pang paghiwalayin at linisin, na nagpapataas ng gastos kumpara sa kumbensyonal na electrolysis ng likidong tubig. Ang paggamit ng mga proton-conducting ceramics, tulad ng strontium zirconate, ay nakakabawas sa gastos ng SOE. Ang strontium zirconate ay nagpapakita ng mahusay na proton conductivity sa humigit-kumulang 700°C, at nakakatulong sa cathode na makagawa ng mataas na kadalisayan ng hydrogen, na nagpapadali sa steam electrolysis device.

Iniulat nina Yan et al. [6] na ang zirconia ceramic tube na pinatatag ng calcium oxide ay ginamit bilang SOE ng sumusuportang istruktura, ang panlabas na ibabaw ay pinahiran ng manipis (mas mababa sa 0.25mm) na porous lanthanum perovskite bilang anode, at Ni/Y2O3 stable calcium oxide cermet bilang cathode. Sa 1000°C, 0.4A/cm2 at 39.3W input power, ang kapasidad ng produksyon ng hydrogen ng unit ay 17.6NL/h. Ang disbentaha ng SOE ay ang overvoltage na nagreresulta mula sa mataas na ohm losses na karaniwan sa mga interconnections sa pagitan ng mga cell, at ang mataas na overvoltage concentration dahil sa mga limitasyon ng vapor diffusion transport. Sa mga nakaraang taon, ang mga planar electrolytic cell ay nakakuha ng maraming atensyon [7-8]. Kabaligtaran sa mga tubular cell, ang mga flat cell ay ginagawang mas siksik ang pagmamanupaktura at nagpapabuti sa kahusayan ng produksyon ng hydrogen [6]. Sa kasalukuyan, ang pangunahing balakid sa pang-industriya na aplikasyon ng SOE ay ang pangmatagalang katatagan ng electrolytic cell [8], at ang mga problema ng pagtanda at pag-deactivate ng electrode ay maaaring sanhi.