Прогрес та економічний аналіз виробництва водню електролізом твердих оксидів

Прогрес та економічний аналіз виробництва водню електролізом твердих оксидів

Твердооксидний електролізер (ТЕО) використовує високотемпературну водяну пару (600 ~ 900°C) для електролізу, що є ефективнішим, ніж лужний електролізер та PEM-електролізер. У 1960-х роках Сполучені Штати та Німеччина почали проводити дослідження високотемпературного ТЕО з водяною парою. Принцип роботи ТЕО-електролізера показано на рисунку 4. Рециркулюючий водень та водяна пара надходять у реакційну систему з анода. Водяна пара електролізується на водень на катоді. O2, що утворюється катодом, рухається через твердий електроліт до анода, де він рекомбінує з утворенням кисню та вивільненням електронів.

На відміну від електролітичних комірок з лужною та протонно-обмінною мембраною, електрод SOE реагує з контактом водяної пари та стикається з проблемою максимізації площі розділу між електродом та контактом водяної пари. Тому електрод SOE зазвичай має пористу структуру. Метою електролізу водяної пари є зниження енергоємності та зменшення експлуатаційних витрат звичайного електролізу рідкої води. Фактично, хоча загальна потреба в енергії для реакції розкладання води дещо зростає зі збільшенням температури, потреба в електроенергії значно зменшується. Зі збільшенням температури електролізу частина необхідної енергії постачається у вигляді тепла. SOE здатний виробляти водень у присутності високотемпературного джерела тепла. Оскільки високотемпературні газово-охолоджувані ядерні реактори можна нагрівати до 950°C, ядерна енергія може бути використана як джерело енергії для SOE. Водночас дослідження показують, що відновлювана енергія, така як геотермальна енергія, також має потенціал як джерело тепла для парового електролізу. Робота за високої температури може знизити напругу акумулятора та збільшити швидкість реакції, але також стикається з проблемою термічної стабільності та герметизації матеріалу. Крім того, газ, що утворюється катодом, являє собою суміш водню, яку потрібно додатково розділяти та очищувати, що збільшує вартість порівняно зі звичайним електролізом рідкої води. Використання протонпровідної кераміки, такої як цирконат стронцію, знижує вартість електролізу паром. Цирконат стронцію демонструє чудову протонну провідність приблизно за 700°C і сприяє отриманню високочистого водню катодом, спрощуючи пристрій для парового електролізу.

Ян та ін. [6] повідомили, що як СОЕ несучої конструкції використовувалася керамічна трубка з діоксиду цирконію, стабілізована оксидом кальцію, зовнішня поверхня якої була покрита тонким (менше 0,25 мм) пористим перовскітом лантану як анодом, а також стабільним кераметом оксиду кальцію Ni/Y2O3 як катодом. При 1000°C, 0,4 А/см2 та вхідній потужності 39,3 Вт виробнича потужність установки з виробництва водню становить 17,6 нл/год. Недоліком СОЕ є перенапруга, що виникає внаслідок високих втрат опору, які є поширеними на з'єднаннях між елементами, та висока концентрація перенапруги через обмеження переносу дифузії пари. В останні роки планарні електролітичні елементи привернули значну увагу [7-8]. На відміну від трубчастих елементів, плоскі елементи роблять виробництво більш компактним та підвищують ефективність виробництва водню [6]. Наразі основною перешкодою для промислового застосування СОЕ є довгострокова стабільність електролітичної комірки [8], а також можуть бути спричинені проблеми старіння та деактивації електродів.