Katı oksitlerin elektrolizi yoluyla hidrojen üretiminin ilerleyişi ve ekonomik analizi
Katı oksit elektrolizör (SOE), elektroliz için yüksek sıcaklıkta su buharı (600 ~ 900°C) kullanır ve bu da alkali elektrolizör ve PEM elektrolizörden daha verimlidir. 1960'larda Amerika Birleşik Devletleri ve Almanya, yüksek sıcaklıkta su buharı SOE'si üzerine araştırmalar yapmaya başladı. SOE elektrolizörünün çalışma prensibi Şekil 4'te gösterilmiştir. Geri dönüştürülmüş hidrojen ve su buharı anottan reaksiyon sistemine girer. Su buharı katotta hidrojene elektrolize edilir. Katot tarafından üretilen O2, katı elektrolitten anoda doğru hareket eder ve burada oksijen oluşturmak ve elektron salmak için yeniden birleşir.
Alkalin ve proton değişim membranlı elektrolitik hücrelerden farklı olarak, SOE elektrotu su buharı temasıyla reaksiyona girer ve elektrot ile su buharı teması arasındaki arayüz alanını maksimize etme zorluğuyla karşı karşıyadır. Bu nedenle, SOE elektrotu genellikle gözenekli bir yapıya sahiptir. Su buharı elektrolizinin amacı, geleneksel sıvı su elektrolizinin enerji yoğunluğunu ve işletme maliyetini azaltmaktır. Aslında, su ayrışma reaksiyonunun toplam enerji gereksinimi sıcaklık artışıyla biraz artarken, elektrik enerjisi gereksinimi önemli ölçüde azalır. Elektrolitik sıcaklık arttıkça, gereken enerjinin bir kısmı ısı olarak sağlanır. SOE, yüksek sıcaklıkta bir ısı kaynağının varlığında hidrojen üretebilir. Yüksek sıcaklıkta gaz soğutmalı nükleer reaktörler 950°C'ye kadar ısıtılabildiğinden, nükleer enerji SOE için bir enerji kaynağı olarak kullanılabilir. Aynı zamanda, araştırmalar jeotermal enerji gibi yenilenebilir enerjinin de buhar elektrolizinin ısı kaynağı olarak potansiyel taşıdığını göstermektedir. Yüksek sıcaklıkta çalışma, pil voltajını düşürebilir ve reaksiyon hızını artırabilir, ancak aynı zamanda malzeme termal stabilitesi ve sızdırmazlık zorluğuyla da karşı karşıyadır. Ayrıca, katot tarafından üretilen gaz, daha fazla ayrıştırılması ve saflaştırılması gereken bir hidrojen karışımıdır; bu da geleneksel sıvı su elektrolizine kıyasla maliyeti artırır. Stronsiyum zirkonat gibi proton iletken seramiklerin kullanımı, SOE'nin maliyetini düşürür. Stronsiyum zirkonat, yaklaşık 700°C'de mükemmel proton iletkenliği gösterir ve katotun yüksek saflıkta hidrojen üretmesine olanak tanıyarak buhar elektroliz cihazını basitleştirir.
Yan ve ark. [6], kalsiyum oksit ile stabilize edilmiş zirkonya seramik tüpün SOE'nin destekleyici yapısı olarak kullanıldığını, dış yüzeyin anot olarak ince (0,25 mm'den az) gözenekli lantan perovskit ile kaplandığını ve katot olarak Ni/Y2O3 kararlı kalsiyum oksit seramik metalin kullanıldığını bildirmiştir. 1000 °C, 0,4 A/cm2 ve 39,3 W giriş gücünde, ünitenin hidrojen üretim kapasitesi 17,6 NL/saattir. SOE'nin dezavantajı, hücreler arasındaki bağlantılarda yaygın olan yüksek ohm kayıplarından kaynaklanan aşırı gerilim ve buhar difüzyon taşınımının sınırlamalarından kaynaklanan yüksek aşırı gerilim konsantrasyonudur. Son yıllarda, düzlemsel elektrolitik hücreler büyük ilgi görmüştür [7-8]. Tüp şeklindeki hücrelerin aksine, düz hücreler üretimi daha kompakt hale getirir ve hidrojen üretim verimliliğini artırır [6]. Şu anda SOE'nin endüstriyel uygulamasına yönelik ana engel, elektrolitik hücrenin uzun vadeli kararlılığıdır [8] ve elektrot yaşlanması ve deaktivasyon sorunlarına neden olabilir.
Yayın tarihi: 06 Şubat 2023