Vedyn tuotannon edistyminen ja taloudellinen analyysi kiinteiden oksidien elektrolyysillä

Vedyn tuotannon edistyminen ja taloudellinen analyysi kiinteiden oksidien elektrolyysillä

Kiinteäoksidielektrolysaattori (SOE) käyttää korkean lämpötilan vesihöyryä (600 ~ 900°C) elektrolyysiin, mikä on tehokkaampaa kuin alkalinen elektrolyysilaite ja PEM-elektrolysaattori. 1960-luvulla Yhdysvallat ja Saksa alkoivat tehdä tutkimusta korkean lämpötilan vesihöyrystä SOE. SOE-elektrolysaattorin toimintaperiaate on esitetty kuvassa 4. Kierrätetty vety ja vesihöyry tulevat reaktiojärjestelmään anodista. Vesihöyry elektrolysoidaan vedyksi katodilla. Katodin tuottama O2 siirtyy kiinteän elektrolyytin läpi anodille, jossa se yhdistyy uudelleen muodostaen happea ja vapauttaen elektroneja.

Toisin kuin alkali- ja protoninvaihtokalvoelektrolyyttikennoissa, SOE-elektrodi reagoi vesihöyrykontaktin kanssa ja kohtaa haasteen maksimoida elektrodin ja vesihöyrykosketuksen välinen rajapinta-ala. Siksi SOE-elektrodilla on yleensä huokoinen rakenne. Vesihöyryelektrolyysin tarkoituksena on vähentää tavanomaisen nestevesielektrolyysin energiaintensiteettiä ja käyttökustannuksia. Itse asiassa, vaikka veden hajoamisreaktion kokonaisenergiantarve kasvaa hieman lämpötilan noustessa, sähköenergian tarve pienenee merkittävästi. Elektrolyyttisen lämpötilan noustessa osa tarvittavasta energiasta toimitetaan lämpönä. SOE pystyy tuottamaan vetyä korkean lämpötilan lämmönlähteen läsnä ollessa. Koska korkean lämpötilan kaasujäähdytteiset ydinreaktorit voidaan lämmittää 950 °C:seen, ydinenergiaa voidaan käyttää valtion energialähteenä. Samalla tutkimus osoittaa, että uusiutuvalla energialla, kuten geotermisellä energialla, on potentiaalia myös höyryelektrolyysin lämmönlähteenä. Korkeassa lämpötilassa käyttö voi vähentää akun jännitettä ja lisätä reaktionopeutta, mutta se kohtaa myös materiaalin lämpöstabiilisuuden ja tiivistyksen haasteen. Lisäksi katodin tuottama kaasu on vetyseosta, joka on edelleen erotettava ja puhdistettava, mikä lisää kustannuksia verrattuna tavanomaiseen nestevesielektrolyysiin. Protoneja johtavan keramiikan, kuten strontiumzirkonaatin, käyttö alentaa SOE:n kustannuksia. Strontiumzirkonaatilla on erinomainen protoninjohtavuus noin 700 °C:ssa, ja se edistää katodilla tuottamaan erittäin puhdasta vetyä, mikä yksinkertaistaa höyryelektrolyysilaitetta.

Yan et ai. [6] raportoi, että kalsiumoksidilla stabiloitua keraamista zirkoniaputkea käytettiin tukirakenteen SOE:nä, ulkopinta päällystettiin ohuella (alle 0,25 mm) huokoisella lantaaniperovskiitilla anodina ja Ni/Y2O3-stabiililla kalsiumoksidikermetillä katodina. 1000°C:ssa, 0,4A/cm2 ja 39,3W syöttöteholla yksikön vedyntuotantokapasiteetti on 17,6NL/h. SOE:n haittapuolena on kennojen välisissä liitännöissä yleisistä suurista ohmihäviöistä johtuva ylijännite sekä höyrydiffuusiokuljetuksen rajoituksista johtuva korkea ylijännitepitoisuus. Viime vuosina tasomaiset elektrolyyttikennot ovat herättäneet paljon huomiota [7-8]. Toisin kuin putkimaiset kennot, litteät kennot tekevät valmistuksesta kompaktimpaa ja parantavat vedyn tuotannon tehokkuutta [6]. Tällä hetkellä suurin este SOE:n teolliselle sovellukselle on elektrolyyttikennon pitkäaikainen stabiilisuus [8], mikä saattaa aiheuttaa elektrodien ikääntymisen ja deaktivoitumisen ongelmia.