Napredak i ekonomska analiza proizvodnje vodonika elektrolizom čvrstih oksida

Napredak i ekonomska analiza proizvodnje vodonika elektrolizom čvrstih oksida

Čvrsti oksidni elektrolizer (SOE) koristi vodenu paru visoke temperature (600 ~ 900°C) za elektrolizu, što je efikasnije od alkalnog elektrolizera i PEM elektrolizera. U 1960-im, Sjedinjene Države i Njemačka počele su provoditi istraživanja o visokotemperaturnoj vodenoj pari SOE. Princip rada SOE elektrolizera prikazan je na slici 4. Reciklirani vodonik i vodena para ulaze u reakcioni sistem sa anode. Vodena para se na katodi elektrolizuje u vodonik. O2 proizveden na katodi kreće se kroz čvrsti elektrolit do anode, gdje se rekombinuje kako bi formirao kisik i oslobađao elektrone.

Za razliku od elektrolitičkih ćelija sa alkalnom i protonskom izmjenom membrane, SOE elektroda reagira s kontaktom vodene pare i suočava se s izazovom maksimiziranja površine interfejsa između kontakta elektrode i vodene pare. Stoga, SOE elektroda općenito ima poroznu strukturu. Svrha elektrolize vodene pare je smanjenje energetskog intenziteta i smanjenje operativnih troškova konvencionalne elektrolize tekuće vode. U stvari, iako se ukupna energetska potreba reakcije raspadanja vode neznatno povećava s povećanjem temperature, potreba za električnom energijom značajno se smanjuje. Kako se elektrolitička temperatura povećava, dio potrebne energije se isporučuje kao toplina. SOE je u stanju da proizvodi vodonik u prisustvu izvora toplote visoke temperature. Budući da se nuklearni reaktori hlađeni plinom na visokoj temperaturi mogu zagrijati do 950°C, nuklearna energija se može koristiti kao izvor energije za SOE. Istovremeno, istraživanje pokazuje da obnovljiva energija poput geotermalne energije također ima potencijal kao izvor topline parne elektrolize. Rad na visokoj temperaturi može smanjiti napon baterije i povećati brzinu reakcije, ali se također suočava s izazovom termičke stabilnosti i brtvljenja materijala. Osim toga, plin proizveden na katodi je mješavina vodonika, koju je potrebno dalje odvojiti i pročistiti, povećavajući cijenu u poređenju sa konvencionalnom elektrolizom tečne vode. Upotreba keramike koja provode proton, kao što je stroncij cirkonat, smanjuje troškove SOE. Stroncij cirkonat pokazuje odličnu protonsku provodljivost na oko 700°C i pogoduje katodi za proizvodnju vodonika visoke čistoće, pojednostavljujući uređaj za parnu elektrolizu.

Yan et al. [6] navode da je cirkonijum keramička cijev stabilizirana kalcijum oksidom korištena kao SOE noseće strukture, vanjska površina je obložena tankim (manje od 0,25 mm) poroznim lantan perovskitom kao anodom, a Ni/Y2O3 stabilnim kermetom od kalcijum oksida kao katoda. Na 1000°C, 0,4A/cm2 i 39,3W ulazne snage, kapacitet proizvodnje vodonika jedinice je 17,6NL/h. Nedostatak SOE-a je prenapon koji je rezultat velikih gubitaka u omama koji su uobičajeni na međusklopima između ćelija i visoka koncentracija prenapona zbog ograničenja transporta difuzije pare. Posljednjih godina, planarne elektrolitičke ćelije privukle su veliku pažnju [7-8]. Za razliku od tubularnih ćelija, ravne ćelije čine proizvodnju kompaktnijom i poboljšavaju efikasnost proizvodnje vodonika [6]. Trenutno je glavna prepreka industrijskoj primjeni SOE dugoročna stabilnost elektrolitičke ćelije [8], a mogu biti uzrokovani i problemi starenja i deaktivacije elektroda.