Vývoj a ekonomická analýza výroby vodíku elektrolýzou pevných oxidů

Vývoj a ekonomická analýza výroby vodíku elektrolýzou pevných oxidů

Elektrolyzér pevných oxidů (SOE) používá k elektrolýze vysokoteplotní vodní páru (600 ~ 900 °C), která je účinnější než alkalický elektrolyzér a elektrolyzér PEM. V 60. letech 20. století začaly Spojené státy a Německo provádět výzkum vysokoteplotní vodní páry SOE. Princip činnosti elektrolyzéru SOE je znázorněn na obrázku 4. Recyklovaný vodík a vodní pára vstupují do reakčního systému z anody. Vodní pára je na katodě elektrolyzována na vodík. O2 produkovaný katodou se pohybuje přes pevný elektrolyt k anodě, kde se rekombinuje za vzniku kyslíku a uvolňuje elektrony.

Na rozdíl od alkalických elektrolytických článků s membránou pro výměnu protonů reaguje elektroda SOE s kontaktem vodní páry a čelí výzvě maximalizace plochy rozhraní mezi elektrodou a kontaktem vodní páry. Proto má SOE elektroda obecně porézní strukturu. Účelem elektrolýzy vodní páry je snížit energetickou náročnost a snížit provozní náklady klasické kapalné elektrolýzy vody. Ve skutečnosti, i když celková energetická náročnost reakce rozkladu vody s rostoucí teplotou mírně roste, potřeba elektrické energie výrazně klesá. Se zvyšující se teplotou elektrolytu se část potřebné energie dodává jako teplo. SOE je schopen produkovat vodík v přítomnosti vysokoteplotního zdroje tepla. Vzhledem k tomu, že vysokoteplotní plynem chlazené jaderné reaktory lze zahřát na 950 °C, lze jadernou energii použít jako zdroj energie pro SOE. Výzkum zároveň ukazuje, že obnovitelná energie, jako je geotermální energie, má také potenciál jako zdroj tepla pro parní elektrolýzu. Provoz při vysoké teplotě může snížit napětí baterie a zvýšit rychlost reakce, ale také čelí výzvě tepelné stability materiálu a těsnění. Kromě toho je plyn produkovaný katodou směs vodíku, kterou je třeba dále oddělovat a čistit, což zvyšuje náklady ve srovnání s běžnou elektrolýzou kapalné vody. Použití protonově vodivé keramiky, jako je zirkoničitan strontnatý, snižuje náklady na SOE. Zirkoničitan strontnatý vykazuje vynikající protonovou vodivost při asi 700 °C a vede ke katodě k výrobě vysoce čistého vodíku, což zjednodušuje zařízení pro elektrolýzu páry.

Yan a kol. [6] uvedli, že jako SOE nosné konstrukce byla použita zirkoniová keramická trubice stabilizovaná oxidem vápenatým, vnější povrch byl potažen tenkým (méně než 0,25 mm) porézním lanthanovým perovskitem jako anodou a stabilním cermetem oxidu vápenatého Ni/Y2O3 jako katodou. Při 1000 °C, 0,4A/cm2 a příkonu 39,3W je kapacita produkce vodíku jednotky 17,6NL/h. Nevýhodou SOE je přepětí vyplývající z vysokých ohmových ztrát, které jsou běžné na propojení mezi články, a vysoká koncentrace přepětí v důsledku omezení transportu difúze par. V posledních letech přitahují velkou pozornost planární elektrolytické články [7-8]. Na rozdíl od trubicových článků dělají ploché články kompaktnější výrobu a zlepšují efektivitu výroby vodíku [6]. V současnosti je hlavní překážkou průmyslové aplikace SOE dlouhodobá stabilita elektrolytického článku [8] a mohou být způsobeny problémy se stárnutím a deaktivací elektrod.