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

Tiến trình 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 so với máy điện phân kiềm và máy điện phân PEM. Vào những năm 1960, Hoa Kỳ và Đức bắt đầu nghiên cứu về máy điện phân oxit rắn sử dụng hơi nước ở nhiệt độ cao. Nguyên lý hoạt động của máy điện phân oxit rắn được thể hiện trong Hình 4. Hydro và hơi nước được tuần hoàn đi vào hệ thống phản ứng từ cực dương. Hơi nước được điện phân thành hydro ở cực âm. O2 được tạo ra ở cực âm di chuyển qua chất điện phân rắn đến cực dương, nơi nó tái kết hợp để tạo thành oxy và giải phóng electron.

Không giống như các tế bào điện phân màng kiềm và trao đổi proton, điện cực SOE phản ứng với hơi nước và phải đối mặt với thách thức tối đa hóa diện tích giao diện giữa điện cực và hơi nước. Do đó, điện cực SOE thường có cấu trúc xốp. Mục đích của điện phân hơi nước là giảm cường độ năng lượng và giảm chi phí vận hành so với điện phân nước lỏng thông thường. Trên thực tế, mặc dù tổng năng lượng cần thiết cho phản ứng phân hủy nước tăng nhẹ khi nhiệt độ tăng, nhưng năng lượng điện cần thiết lại 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 độ cao. Vì các lò phản ứng hạt nhân làm mát bằng khí ở nhiệt độ cao có thể được nung 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 làm nguồn nhiệt cho điện phân hơi nước. Vận hành ở nhiệt độ cao có thể giảm điện áp pin và tăng tốc độ phản ứng, nhưng cũng phải đối mặt với thách thức về độ ổn định nhiệt và độ kín của vật liệu. Ngoài ra, khí sinh ra từ cực âm là hỗn hợp hydro, cần được 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, giúp giảm chi phí của SOE. Stronti zirconat thể hiện khả năng dẫn proton tuyệt vời ở khoảng 700°C, và có lợi cho cực âm trong việc sản xuất 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 oxit canxi được sử dụng làm SOE của cấu trúc hỗ trợ, bề mặt ngoài được phủ một lớp perovskite lanthanum xốp mỏng (dưới 0,25mm) làm cực dương và gốm kim loại oxit canxi 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 điện áp quá cao do tổn thất điện trở lớn thường gặp ở các kết nối giữa các tế bào và nồng độ điện áp quá cao do hạn chế của vận chuyển khuếch tán hơi. Trong những năm gần đây, các tế bào điện phân phẳng đã thu hút nhiều sự chú ý [7-8]. Trái ngược với các tế bào hình ống, các tế bào 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 tế bào điện phân [8] và có thể gây ra các vấn đề về lão hóa và khử hoạt tính của điện cực.