Tiến độ và phân tích kinh tế sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân oxit rắn

Tiến độ và phân tích kinh tế sản xuất hydro bằng phương pháp điện phân oxit rắn

Máy điện phân oxit rắn (SOE) sử dụng hơi nước ở nhiệt độ cao (600 ~ 900°C) để điện phân, hiệu quả hơn máy điện phân kiềm và máy điện phân PEM. Vào những năm 1960, Hoa Kỳ và Đức bắt đầu tiến hành nghiên cứu về hơi nước ở nhiệt độ cao SOE. Nguyên lý hoạt động của máy điện phân SOE được thể hiện trong Hình 4. Hydro tái chế và hơi nước đi vào hệ thống phản ứng từ anot. Hơi nước được điện phân thành hydro ở catot. O2 do catot tạo ra di chuyển qua chất điện phân rắn đến anot, tại đây nó kết hợp lại để tạo thành oxy và giải phóng electron.

Không giống như các tế bào điện phân màng trao đổi proton và kiềm, điện cực SOE phản ứng với tiếp xúc hơi nước và phải đối mặt với thách thức là tối đa hóa diện tích giao diện giữa điện cực và tiếp xúc hơi nước. Do đó, điện cực SOE thường có cấu trúc xốp. Mục đích của quá trình điện phân hơi nước là giảm cường độ năng lượng và giảm chi phí vận hành của quá trình điện phân nước lỏng thông thường. Trên thực tế, mặc dù tổng nhu cầu năng lượng của phản ứng phân hủy nước tăng nhẹ khi nhiệt độ tăng, nhưng nhu cầu năng lượng điện giảm đáng kể. Khi nhiệt độ điện phân tăng, một phần năng lượng cần thiết được cung cấp dưới dạng nhiệt. SOE có khả năng sản xuất hydro khi có nguồn nhiệt nhiệt độ cao. Vì lò phản ứng hạt nhân làm mát bằng khí nhiệt độ cao có thể được đun nóng đến 950°C, nên năng lượng hạt nhân có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng cho SOE. Đồng thời, nghiên cứu cho thấy năng lượng tái tạo như năng lượng địa nhiệt cũng có tiềm năng là nguồn nhiệt của quá trình điện phân hơi nước. Hoạt động ở nhiệt độ cao có thể làm giảm điện áp pin và tăng tốc độ phản ứng, nhưng nó cũng phải đối mặt với thách thức về độ ổn định nhiệt và độ kín của vật liệu. Ngoài ra, khí do catốt tạo ra là hỗn hợp hydro, cần phải tách và tinh chế thêm, làm tăng chi phí so với phương pháp điện phân nước lỏng thông thường. Việc sử dụng gốm dẫn proton, chẳng hạn như stronti zirconat, làm giảm chi phí của SOE. Stronti zirconat cho thấy độ dẫn proton tuyệt vời ở khoảng 700°C và có lợi cho catốt để tạo ra hydro có độ tinh khiết cao, đơn giản hóa thiết bị điện phân hơi nước.

Yan et al. [6] đã báo cáo rằng ống gốm zirconia được ổn định bằng canxi oxit được sử dụng làm SOE của cấu trúc hỗ trợ, bề mặt ngoài được phủ một lớp perovskite lanthanum xốp mỏng (nhỏ hơn 0,25mm) làm cực dương và cermet canxi oxit ổn định Ni/Y2O3 làm cực âm. Ở 1000°C, 0,4A/cm2 và công suất đầu vào 39,3W, công suất sản xuất hydro của thiết bị là 17,6NL/h. Nhược điểm của SOE là quá điện áp do tổn thất ohm cao thường gặp ở các kết nối giữa các cell và nồng độ quá điện áp cao do hạn chế của quá trình vận chuyển khuếch tán hơi. Trong những năm gần đây, các cell điện phân phẳng đã thu hút được nhiều sự chú ý [7-8]. Ngược lại với các cell hình ống, các cell phẳng giúp sản xuất nhỏ gọn hơn và cải thiện hiệu quả sản xuất hydro [6]. Hiện nay, trở ngại chính đối với ứng dụng công nghiệp của SOE là tính ổn định lâu dài của cell điện phân [8] và có thể gây ra các vấn đề về lão hóa và mất hoạt tính của điện cực.