Vesiniku tootmise edenemine ja majanduslik analüüs tahkete oksiidide elektrolüüsil

Vesiniku tootmise edenemine ja majanduslik analüüs tahkete oksiidide elektrolüüsil

Tahkeoksiidi elektrolüsaator (SOE) kasutab elektrolüüsiks kõrge temperatuuriga veeauru (600–900 °C), mis on tõhusam kui leeliseline elektrolüsaator ja PEM-elektrolüsaator. 1960. aastatel hakkasid Ameerika Ühendriigid ja Saksamaa läbi viima kõrgtemperatuurse veeauru SOE uuringuid. SOE elektrolüsaatori tööpõhimõte on näidatud joonisel 4. Anoodilt sisenevad reaktsioonisüsteemi taaskasutatud vesinik ja veeaur. Veeaur elektrolüüsitakse katoodil vesinikuks. Katoodi poolt toodetud O2 liigub läbi tahke elektrolüüdi anoodile, kus see rekombineerub, moodustades hapnikku ja vabastades elektrone.

Erinevalt leelis- ja prootonivahetusmembraani elektrolüütilistest elementidest reageerib SOE-elektrood veeauru kontaktiga ja seisab silmitsi väljakutsega maksimeerida elektroodi ja veeauru kontakti vaheline liides. Seetõttu on SOE-elektroodil üldiselt poorne struktuur. Veeauru elektrolüüsi eesmärk on vähendada tavapärase vedela vee elektrolüüsi energiaintensiivsust ja tegevuskulusid. Tegelikult, kuigi vee lagunemisreaktsiooni koguenergiavajadus suureneb temperatuuri tõustes veidi, väheneb elektrienergia vajadus oluliselt. Kui elektrolüütiline temperatuur tõuseb, tarnitakse osa vajalikust energiast soojusena. SOE on võimeline tootma vesinikku kõrge temperatuuriga soojusallika juuresolekul. Kuna kõrgtemperatuurseid gaasjahutusega tuumareaktoreid saab kuumutada temperatuurini 950 °C, saab tuumaenergiat kasutada SOE energiaallikana. Samal ajal näitavad uuringud, et taastuvenergial, näiteks maasoojusenergial, on potentsiaali ka auruelektrolüüsi soojusallikana. Kõrgel temperatuuril töötamine võib vähendada aku pinget ja suurendada reaktsioonikiirust, kuid see seisab silmitsi ka materjali termilise stabiilsuse ja tihendusega. Lisaks on katoodiga toodetud gaas vesiniku segu, mida tuleb täiendavalt eraldada ja puhastada, mis suurendab kulusid võrreldes tavapärase vedela vee elektrolüüsiga. Prootonit juhtiva keraamika, näiteks strontsiumtsirkonaadi kasutamine vähendab SOE maksumust. Strontsiumtsirkonaadil on suurepärane prootonijuhtivus umbes 700 °C juures ja see soodustab katoodil kõrge puhtusastmega vesiniku tootmist, lihtsustades auruelektrolüüsi seadet.

Yan et al. [6] teatas, et tugistruktuuri SOE-na kasutati kaltsiumoksiidiga stabiliseeritud tsirkooniumoksiidi keraamilist toru, välispind kaeti anoodina õhukese (alla 0,25 mm) poorse lantaanperovskiidiga ja katoodina Ni/Y2O3 stabiilse kaltsiumoksiidkeraamikaga. Temperatuuril 1000°C, 0,4A/cm2 ja 39,3W sisendvõimsusel on seadme vesiniku tootmisvõimsus 17,6NL/h. SOE puuduseks on liigpinge, mis tuleneb suurtest oomikadudest, mis on levinud elementidevahelistes ühendustes, ja kõrge liigpinge kontsentratsioon, mis on tingitud aurude difusioonitranspordi piirangutest. Viimastel aastatel on tasapinnalised elektrolüütilised elemendid pälvinud palju tähelepanu [7–8]. Erinevalt torukujulistest rakkudest muudavad lamedad rakud tootmise kompaktsemaks ja parandavad vesiniku tootmise efektiivsust [6]. Praegu on SOE tööstusliku kasutamise peamiseks takistuseks elektrolüütilise elemendi pikaajaline stabiilsus [8], mis võib põhjustada elektroodide vananemise ja deaktiveerimise probleeme.