Напредък и икономически анализ на производството на водород чрез електролиза на твърди оксиди

Напредък и икономически анализ на производството на водород чрез електролиза на твърди оксиди

Електролизаторът с твърд оксид (SOE) използва високотемпературна водна пара (600 ~ 900°C) за електролиза, която е по-ефективна от алкалния електролизатор и PEM електролизера. През 60-те години на миналия век Съединените щати и Германия започнаха да провеждат изследвания върху високотемпературни водни пари SOE. Принципът на работа на електролизера SOE е показан на фигура 4. Рециклираният водород и водните пари влизат в реакционната система от анода. Водната пара се електролизира във водород на катода. О2, произведен от катода, преминава през твърдия електролит към анода, където се рекомбинира, за да образува кислород и освобождава електрони.

За разлика от електролитните клетки с алкална и протонообменна мембрана, SOE електродът реагира при контакт с водна пара и е изправен пред предизвикателството да увеличи максимално повърхността на интерфейса между електрода и контакта с водна пара. Следователно SOE електродът обикновено има пореста структура. Целта на електролизата на водна пара е да намали енергийния интензитет и да намали оперативните разходи на конвенционалната електролиза на течна вода. Всъщност, въпреки че общото енергийно изискване на реакцията на разлагане на водата се увеличава леко с повишаване на температурата, изискването за електрическа енергия намалява значително. С повишаването на електролитната температура част от необходимата енергия се доставя като топлина. SOE е способен да произвежда водород в присъствието на източник на топлина с висока температура. Тъй като високотемпературните ядрени реактори с газово охлаждане могат да се нагреят до 950°C, ядрената енергия може да се използва като енергиен източник за SOE. В същото време изследването показва, че възобновяемата енергия като геотермална енергия също има потенциал като източник на топлина за парна електролиза. Работата при висока температура може да намали напрежението на батерията и да увеличи скоростта на реакция, но също така е изправена пред предизвикателството на термичната стабилност на материала и уплътняването. В допълнение, газът, произведен от катода, е водородна смес, която трябва да бъде допълнително отделена и пречистена, което увеличава разходите в сравнение с конвенционалната електролиза с течна вода. Използването на протоннопроводима керамика, като стронциев цирконат, намалява цената на SOE. Стронциевият цирконат показва отлична протонна проводимост при около 700°C и благоприятства катода да произвежда водород с висока чистота, което опростява устройството за парна електролиза.

Ян и др. [6] съобщават, че циркониева керамична тръба, стабилизирана с калциев оксид, е използвана като SOE на поддържаща структура, външната повърхност е покрита с тънък (по-малко от 0,25 mm) порест лантанов перовскит като анод и Ni/Y2O3 стабилен металокерамика от калциев оксид като катод. При 1000°C, 0.4A/cm2 и 39.3W входна мощност, капацитетът за производство на водород на уреда е 17.6NL/h. Недостатъкът на SOE е пренапрежението, произтичащо от големи загуби на ом, които са често срещани при връзките между клетките, и високата концентрация на пренапрежение, дължаща се на ограниченията на преноса чрез дифузия на парите. През последните години планарните електролитни клетки привлякоха много внимание [7-8]. За разлика от тръбните клетки, плоските клетки правят производството по-компактно и подобряват ефективността на производството на водород [6]. Понастоящем основната пречка пред промишленото приложение на SOE е дългосрочната стабилност на електролитната клетка [8] и могат да бъдат причинени проблемите със стареенето и дезактивирането на електрода.