التقدم والتحليل الاقتصادي لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للأكاسيد الصلبة

التقدم والتحليل الاقتصادي لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للأكاسيد الصلبة

يستخدم المحلل الكهربائي للأكسيد الصلب (SOE) بخار الماء عالي الحرارة (600 ~ 900 درجة مئوية) للتحليل الكهربائي، وهو أكثر كفاءة من المحلل الكهربائي القلوي والمحلل الكهربائي PEM. في ستينيات القرن العشرين، بدأت الولايات المتحدة وألمانيا في إجراء أبحاث حول بخار الماء عالي الحرارة الذي تستخدمه الشركات المملوكة للدولة. يظهر مبدأ عمل المحلل الكهربائي SOE في الشكل 4. يدخل الهيدروجين وبخار الماء المعاد تدويرهما إلى نظام التفاعل من الأنود. يتم تحليل بخار الماء كهربائيًا إلى هيدروجين عند الكاثود. يتحرك O2 الناتج عن الكاثود عبر المنحل بالكهرباء الصلب إلى الأنود، حيث يتحد مرة أخرى لتكوين الأكسجين وإطلاق الإلكترونات.

على عكس الخلايا التحليلية ذات غشاء التبادل القلوي والبروتوني، يتفاعل قطب SOE مع ملامسة بخار الماء ويواجه التحدي المتمثل في تعظيم مساحة الواجهة بين القطب وملامسة بخار الماء. ولذلك، فإن قطب الشركات المملوكة للدولة عموما لديه بنية مسامية. الغرض من التحليل الكهربائي لبخار الماء هو تقليل كثافة الطاقة وتقليل تكلفة تشغيل التحليل الكهربائي التقليدي للماء السائل. في الواقع، على الرغم من أن إجمالي متطلبات الطاقة لتفاعل تحلل الماء يزداد قليلاً مع زيادة درجة الحرارة، إلا أن متطلبات الطاقة الكهربائية تنخفض بشكل ملحوظ. مع زيادة درجة حرارة التحليل الكهربائي، يتم توفير جزء من الطاقة المطلوبة كحرارة. إن الشركة المملوكة للدولة قادرة على إنتاج الهيدروجين في وجود مصدر حرارة عالي الحرارة. وبما أن المفاعلات النووية المبردة بالغاز ذات درجة الحرارة العالية يمكن تسخينها إلى 950 درجة مئوية، فيمكن استخدام الطاقة النووية كمصدر للطاقة للشركات المملوكة للدولة. وفي الوقت نفسه، يظهر البحث أن الطاقة المتجددة مثل الطاقة الحرارية الأرضية لديها أيضًا القدرة كمصدر حرارة للتحليل الكهربائي بالبخار. يمكن أن يؤدي التشغيل في درجة حرارة عالية إلى تقليل جهد البطارية وزيادة معدل التفاعل، ولكنه يواجه أيضًا تحدي الاستقرار الحراري للمادة والختم. بالإضافة إلى ذلك، فإن الغاز الناتج عن الكاثود عبارة عن خليط هيدروجين، والذي يحتاج إلى مزيد من الفصل والتنقية، مما يزيد من التكلفة مقارنة بالتحليل الكهربائي التقليدي للمياه السائلة. إن استخدام السيراميك الموصل للبروتون، مثل زركونات السترونتيوم، يقلل من تكلفة الشركات المملوكة للدولة. تُظهر زركونات السترونتيوم موصلية بروتونية ممتازة عند حوالي 700 درجة مئوية، وهي مواتية للكاثود لإنتاج هيدروجين عالي النقاء، مما يبسط جهاز التحليل الكهربائي بالبخار.

يان وآخرون. [6] ذكرت أنه تم استخدام أنبوب سيراميك الزركونيا المثبت بواسطة أكسيد الكالسيوم كشركة مملوكة للدولة للهيكل الداعم، وتم طلاء السطح الخارجي بطبقة رقيقة (أقل من 0.25 مم) من اللانثانوم بيروفسكايت المسامي كأنود، وسيرميت أكسيد الكالسيوم المستقر Ni / Y2O3 ككاثود. عند 1000 درجة مئوية، 0.4A/cm2 و39.3W طاقة الإدخال، قدرة إنتاج الهيدروجين للوحدة هي 17.6NL/h. عيب SOE هو الجهد الزائد الناتج عن خسائر الأوم العالية الشائعة في الترابط بين الخلايا، وتركيز الجهد الزائد العالي بسبب القيود المفروضة على نقل انتشار البخار. في السنوات الأخيرة، اجتذبت الخلايا التحليلية المستوية الكثير من الاهتمام [7-8]. وعلى النقيض من الخلايا الأنبوبية، فإن الخلايا المسطحة تجعل التصنيع أكثر إحكاما وتحسن كفاءة إنتاج الهيدروجين [6]. في الوقت الحاضر، تتمثل العقبة الرئيسية أمام التطبيق الصناعي للشركات المملوكة للدولة في استقرار خلية التحليل الكهربائي على المدى الطويل [8]، وقد تحدث مشاكل شيخوخة القطب وتعطيله.