پیشرفت و تحلیل اقتصادی تولید هیدروژن با الکترولیز اکسیدهای جامد

پیشرفت و تحلیل اقتصادی تولید هیدروژن با الکترولیز اکسیدهای جامد

الکترولیز اکسید جامد (SOE) از بخار آب با دمای بالا (600 ~ 900 درجه سانتیگراد) برای الکترولیز استفاده می کند که کارآمدتر از الکترولیزهای قلیایی و الکترولیز PEM است. در دهه 1960، ایالات متحده و آلمان شروع به تحقیق در مورد بخار آب با دمای بالا SOE کردند. اصل کار الکترولایزر SOE در شکل 4 نشان داده شده است. هیدروژن بازیافتی و بخار آب از آند وارد سیستم واکنش می شود. بخار آب در کاتد به هیدروژن تبدیل می شود. O2 تولید شده توسط کاتد از طریق الکترولیت جامد به آند حرکت می کند و در آنجا دوباره ترکیب می شود و اکسیژن تشکیل می دهد و الکترون آزاد می کند.

برخلاف سلول های الکترولیتی غشای تبادل پروتون و قلیایی، الکترود SOE با تماس بخار آب واکنش نشان می دهد و با چالش به حداکثر رساندن سطح رابط بین الکترود و تماس بخار آب مواجه می شود. بنابراین، الکترود SOE به طور کلی ساختار متخلخل دارد. هدف از الکترولیز بخار آب کاهش شدت انرژی و کاهش هزینه عملیاتی الکترولیز آب مایع معمولی است. در واقع، اگرچه کل انرژی مورد نیاز واکنش تجزیه آب با افزایش دما کمی افزایش می یابد، نیاز انرژی الکتریکی به طور قابل توجهی کاهش می یابد. با افزایش دمای الکترولیتی، بخشی از انرژی مورد نیاز به صورت گرما تامین می شود. SOE قادر به تولید هیدروژن در حضور یک منبع حرارتی با دمای بالا است. از آنجایی که راکتورهای هسته‌ای با دمای بالا خنک‌شده با گاز را می‌توان تا 950 درجه سانتی‌گراد گرم کرد، انرژی هسته‌ای می‌تواند به عنوان منبع انرژی برای SOE استفاده شود. در عین حال، تحقیقات نشان می دهد که انرژی های تجدیدپذیر مانند انرژی زمین گرمایی نیز پتانسیل منبع گرمایی الکترولیز بخار را دارد. عملکرد در دمای بالا می تواند ولتاژ باتری را کاهش دهد و سرعت واکنش را افزایش دهد، اما همچنین با چالش پایداری حرارتی مواد و آب بندی مواجه است. علاوه بر این، گاز تولید شده توسط کاتد یک مخلوط هیدروژنی است که نیاز به جداسازی و خالص سازی بیشتری دارد و هزینه آن را در مقایسه با الکترولیز آب مایع معمولی افزایش می دهد. استفاده از سرامیک های رسانای پروتون مانند استرانسیم زیرکونات، هزینه SOE را کاهش می دهد. استرانسیوم زیرکونات هدایت پروتون عالی را در حدود 700 درجه سانتیگراد نشان می دهد و برای تولید هیدروژن با خلوص بالا به کاتد کمک می کند و دستگاه الکترولیز بخار را ساده می کند.

یان و همکاران [6] گزارش داد که لوله سرامیکی زیرکونیایی تثبیت شده توسط اکسید کلسیم به عنوان SOE ساختار نگهدارنده استفاده شد، سطح بیرونی با پروسکیت لانتانیم متخلخل نازک (کمتر از 0.25 میلی متر) به عنوان آند، و سرم اکسید کلسیم پایدار Ni/Y2O3 به عنوان کاتد پوشش داده شد. در دمای 1000 درجه سانتی گراد، 0.4A/cm2 و توان ورودی 39.3W، ظرفیت تولید هیدروژن این واحد 17.6NL/h است. نقطه ضعف SOE اضافه ولتاژ ناشی از تلفات اهم زیاد است که در اتصالات بین سلول‌ها رایج است و غلظت اضافه ولتاژ بالا به دلیل محدودیت‌های انتقال انتشار بخار. در سال های اخیر، سلول های الکترولیتی مسطح توجه زیادی را به خود جلب کرده اند [7-8]. برخلاف سلول‌های لوله‌ای، سلول‌های مسطح ساخت را فشرده‌تر می‌کنند و راندمان تولید هیدروژن را بهبود می‌بخشند [6]. در حال حاضر، مانع اصلی برای کاربرد صنعتی SOE، پایداری طولانی مدت سلول الکترولیتی [8] است و ممکن است مشکلات پیری و غیرفعال شدن الکترود ایجاد شود.