Fortschritt und wirtschaftliche Analyse der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse fester Oxide

Fortschritt und wirtschaftliche Analyse der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse fester Oxide

Der Festoxidelektrolyseur (SOE) nutzt Hochtemperatur-Wasserdampf (600–900 °C) zur Elektrolyse, was effizienter ist als alkalische Elektrolyseure und PEM-Elektrolyseure. In den 1960er Jahren begannen die Vereinigten Staaten und Deutschland mit der Erforschung von Hochtemperatur-Wasserdampf-SOE. Das Funktionsprinzip des SOE-Elektrolyseurs ist in Abbildung 4 dargestellt. Von der Anode gelangen recycelter Wasserstoff und Wasserdampf in das Reaktionssystem. An der Kathode wird der Wasserdampf zu Wasserstoff elektrolysiert. Das von der Kathode erzeugte O2 wandert durch den Festelektrolyten zur Anode, wo es sich zu Sauerstoff rekombiniert und Elektronen freisetzt.

Im Gegensatz zu alkalischen und Protonenaustauschmembran-Elektrolysezellen reagiert die SOE-Elektrode mit Wasserdampfkontakt und steht vor der Herausforderung, die Grenzflächenfläche zwischen Elektrode und Wasserdampfkontakt zu maximieren. Daher weist die SOE-Elektrode im Allgemeinen eine poröse Struktur auf. Der Zweck der Wasserdampfelektrolyse besteht darin, die Energieintensität zu reduzieren und die Betriebskosten der herkömmlichen Flüssigwasserelektrolyse zu senken. Tatsächlich steigt zwar der Gesamtenergiebedarf der Wasserzersetzungsreaktion mit steigender Temperatur leicht an, der Bedarf an elektrischer Energie nimmt jedoch deutlich ab. Mit steigender Elektrolyttemperatur wird ein Teil der benötigten Energie als Wärme zugeführt. Das SOE ist in der Lage, Wasserstoff in Gegenwart einer Hochtemperatur-Wärmequelle zu erzeugen. Da gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren auf 950 °C erhitzt werden können, kann Kernenergie als Energiequelle für das SOE genutzt werden. Gleichzeitig zeigen die Untersuchungen, dass erneuerbare Energien wie Geothermie auch das Potenzial haben, als Wärmequelle für die Dampfelektrolyse zu dienen. Der Betrieb bei hohen Temperaturen kann die Batteriespannung verringern und die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, stellt jedoch auch die Herausforderung der thermischen Stabilität und Abdichtung des Materials dar. Darüber hinaus handelt es sich bei dem von der Kathode erzeugten Gas um ein Wasserstoffgemisch, das weiter getrennt und gereinigt werden muss, was die Kosten im Vergleich zur herkömmlichen Flüssigwasserelektrolyse erhöht. Die Verwendung von protonenleitenden Keramiken wie Strontiumzirkonat reduziert die Kosten von SOE. Strontiumzirkonat zeigt eine ausgezeichnete Protonenleitfähigkeit bei etwa 700 °C und fördert die Kathode bei der Erzeugung von hochreinem Wasserstoff, wodurch die Dampfelektrolysevorrichtung vereinfacht wird.

Yan et al. [6] berichteten, dass durch Kalziumoxid stabilisierte Zirkonoxid-Keramikrohre als SOE der Stützstruktur verwendet wurden, die Außenfläche mit dünnem (weniger als 0,25 mm) porösem Lanthan-Perowskit als Anode und stabilem Ni/Y2O3-Kalziumoxid-Cermet als Kathode beschichtet war. Bei 1000 °C, 0,4 A/cm2 und 39,3 W Eingangsleistung beträgt die Wasserstoffproduktionskapazität der Einheit 17,6 NL/h. Der Nachteil von SOE ist die Überspannung, die aus hohen Ohm-Verlusten resultiert, die häufig an den Verbindungen zwischen Zellen auftreten, und die hohe Überspannungskonzentration aufgrund der Einschränkungen des Dampfdiffusionstransports. In den letzten Jahren haben planare Elektrolysezellen große Aufmerksamkeit erregt [7–8]. Im Gegensatz zu Röhrenzellen machen Flachzellen die Fertigung kompakter und verbessern die Effizienz der Wasserstoffproduktion [6]. Das Haupthindernis für die industrielle Anwendung von SOE ist derzeit die Langzeitstabilität der Elektrolysezelle [8], und es können Probleme der Elektrodenalterung und -deaktivierung auftreten.