Fremskridt og økonomisk analyse af brintproduktion ved elektrolyse af faste oxider
Solid oxide electrolyzer (SOE) bruger højtemperatur vanddamp (600 ~ 900°C) til elektrolyse, hvilket er mere effektivt end alkalisk elektrolysator og PEM elektrolysator. I 1960'erne begyndte USA og Tyskland at forske i højtemperatur vanddamp SOE. Arbejdsprincippet for SOE elektrolysator er vist i figur 4. Genanvendt brint og vanddamp kommer ind i reaktionssystemet fra anoden. Vanddampen elektrolyseres til brint ved katoden. O2 produceret af katoden bevæger sig gennem den faste elektrolyt til anoden, hvor den rekombinerer for at danne ilt og frigive elektroner.
I modsætning til alkaliske og protonudvekslingsmembranelektrolyseceller, reagerer SOE-elektroden med vanddampkontakt og står over for udfordringen med at maksimere grænsefladeområdet mellem elektroden og vanddampkontakten. Derfor har SOE-elektroden generelt en porøs struktur. Formålet med vanddampelektrolyse er at reducere energiintensiteten og reducere driftsomkostningerne ved konventionel flydende vandelektrolyse. Faktisk, selvom det samlede energibehov for vandnedbrydningsreaktionen stiger lidt med stigende temperatur, falder det elektriske energibehov betydeligt. Når den elektrolytiske temperatur stiger, tilføres en del af den nødvendige energi som varme. SOE'et er i stand til at producere brint i nærværelse af en højtemperaturvarmekilde. Da højtemperatur gaskølede atomreaktorer kan opvarmes til 950°C, kan kerneenergi bruges som energikilde for SOE. Samtidig viser forskningen, at den vedvarende energi som geotermisk energi også har potentialet som varmekilde til dampelektrolyse. Drift ved høj temperatur kan reducere batterispændingen og øge reaktionshastigheden, men det står også over for udfordringen med materialets termiske stabilitet og tætning. Derudover er gassen produceret af katoden en hydrogenblanding, som skal adskilles og renses yderligere, hvilket øger omkostningerne sammenlignet med konventionel flydende vandelektrolyse. Brugen af protonledende keramik, såsom strontiumzirconat, reducerer omkostningerne ved SOE. Strontiumzirconat udviser fremragende protonledningsevne ved ca. 700°C og er befordrende for katoden til at producere hydrogen med høj renhed, hvilket forenkler dampelektrolyseanordningen.
Yan et al. [6] rapporterede, at zirconia keramisk rør stabiliseret af calciumoxid blev brugt som SOE af understøttende struktur, den ydre overflade var belagt med tynd (mindre end 0,25 mm) porøs lanthanperovskit som anode, og Ni/Y2O3 stabil calciumoxid cermet som katode. Ved 1000°C, 0,4A/cm2 og 39,3W inputeffekt er enhedens brintproduktionskapacitet 17,6NL/h. Ulempen ved SOE er overspændingen som følge af høje ohm-tab, der er almindelige ved forbindelserne mellem celler, og den høje overspændingskoncentration på grund af begrænsningerne af dampdiffusionstransport. I de senere år har plane elektrolytiske celler tiltrukket sig stor opmærksomhed [7-8]. I modsætning til rørformede celler gør flade celler fremstillingen mere kompakt og forbedrer hydrogenproduktionseffektiviteten [6]. På nuværende tidspunkt er den største hindring for den industrielle anvendelse af SOE den langsigtede stabilitet af elektrolysecellen [8], og problemerne med elektrodeældning og deaktivering kan være forårsaget.
Indlægstid: 06-02-2023