ઘન ઓક્સાઇડના વિદ્યુત વિચ્છેદન દ્વારા હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનની પ્રગતિ અને આર્થિક વિશ્લેષણ

ઘન ઓક્સાઇડના વિદ્યુત વિચ્છેદન દ્વારા હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનની પ્રગતિ અને આર્થિક વિશ્લેષણ

સોલિડ ઓક્સાઇડ ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર (SOE) વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણ માટે ઉચ્ચ-તાપમાન પાણીની વરાળ (600 ~ 900°C) નો ઉપયોગ કરે છે, જે આલ્કલાઇન ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર અને PEM ઇલેક્ટ્રોલાઇઝર કરતાં વધુ કાર્યક્ષમ છે. 1960 ના દાયકામાં, યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સ અને જર્મનીએ ઉચ્ચ-તાપમાન પાણીની વરાળ SOE પર સંશોધન કરવાનું શરૂ કર્યું. SOE ઇલેક્ટ્રોલાઇઝરનું કાર્ય સિદ્ધાંત આકૃતિ 4 માં બતાવવામાં આવ્યું છે. રિસાયકલ કરેલ હાઇડ્રોજન અને પાણીની વરાળ એનોડમાંથી પ્રતિક્રિયા પ્રણાલીમાં પ્રવેશ કરે છે. કેથોડ પર પાણીની વરાળનું હાઇડ્રોજનમાં વિદ્યુતકરણ થાય છે. કેથોડ દ્વારા ઉત્પાદિત O2 ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા એનોડ તરફ જાય છે, જ્યાં તે ઓક્સિજન બનાવવા અને ઇલેક્ટ્રોન છોડવા માટે ફરીથી સંયોજિત થાય છે.

આલ્કલાઇન અને પ્રોટોન એક્સચેન્જ મેમ્બ્રેન ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષોથી વિપરીત, SOE ઇલેક્ટ્રોડ પાણીની વરાળના સંપર્ક સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે અને ઇલેક્ટ્રોડ અને પાણીની વરાળના સંપર્ક વચ્ચેના ઇન્ટરફેસ વિસ્તારને મહત્તમ કરવાના પડકારનો સામનો કરે છે. તેથી, SOE ઇલેક્ટ્રોડ સામાન્ય રીતે છિદ્રાળુ માળખું ધરાવે છે. જળ બાષ્પ વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણનો હેતુ ઊર્જાની તીવ્રતા ઘટાડવા અને પરંપરાગત પ્રવાહી પાણીના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણની કાર્યકારી કિંમત ઘટાડવાનો છે. વાસ્તવમાં, જો કે પાણીના વિઘટનની પ્રતિક્રિયાની કુલ ઉર્જા જરૂરિયાત વધતા તાપમાન સાથે થોડી વધે છે, વિદ્યુત ઉર્જાની જરૂરિયાત નોંધપાત્ર રીતે ઘટે છે. જેમ જેમ ઈલેક્ટ્રોલાઈટીક તાપમાન વધે છે, તેમ તેમ જરૂરી ઉર્જાનો ભાગ ગરમી તરીકે પૂરો પાડવામાં આવે છે. SOE ઉચ્ચ-તાપમાન ઉષ્મા સ્ત્રોતની હાજરીમાં હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરવામાં સક્ષમ છે. ઉચ્ચ-તાપમાનના ગેસ-કૂલ્ડ ન્યુક્લિયર રિએક્ટરને 950°C સુધી ગરમ કરી શકાય છે, તેથી પરમાણુ ઊર્જાનો ઉપયોગ SOE માટે ઊર્જા સ્ત્રોત તરીકે થઈ શકે છે. તે જ સમયે, સંશોધન દર્શાવે છે કે ભૂ-ઉષ્મીય ઊર્જા જેવી નવીનીકરણીય ઉર્જા પણ વરાળ વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણના ઉષ્મા સ્ત્રોત તરીકે સંભવિત ધરાવે છે. ઊંચા તાપમાને કામ કરવાથી બેટરી વોલ્ટેજ ઘટાડી શકાય છે અને પ્રતિક્રિયા દરમાં વધારો થાય છે, પરંતુ તે સામગ્રીની થર્મલ સ્થિરતા અને સીલિંગના પડકારનો પણ સામનો કરે છે. વધુમાં, કેથોડ દ્વારા ઉત્પાદિત ગેસ એ હાઇડ્રોજન મિશ્રણ છે, જેને વધુ અલગ અને શુદ્ધ કરવાની જરૂર છે, જે પરંપરાગત પ્રવાહી પાણીના વિદ્યુત વિચ્છેદન-વિશ્લેષણની તુલનામાં ખર્ચમાં વધારો કરે છે. પ્રોટોન-કન્ડક્ટિંગ સિરામિક્સનો ઉપયોગ, જેમ કે સ્ટ્રોન્ટિયમ ઝિર્કોનેટ, SOE ની કિંમત ઘટાડે છે. સ્ટ્રોન્ટીયમ ઝિર્કોનેટ લગભગ 700°C પર ઉત્કૃષ્ટ પ્રોટોન વાહકતા દર્શાવે છે, અને ઉચ્ચ શુદ્ધતા હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરવા માટે કેથોડ માટે અનુકૂળ છે, સ્ટીમ ઇલેક્ટ્રોલિસિસ ઉપકરણને સરળ બનાવે છે.

યાન એટ અલ. [6] અહેવાલ આપ્યો છે કે કેલ્શિયમ ઓક્સાઇડ દ્વારા સ્થિર થયેલ ઝિર્કોનિયા સિરામિક ટ્યુબનો ઉપયોગ સહાયક માળખાના SOE તરીકે કરવામાં આવ્યો હતો, બાહ્ય સપાટીને એનોડ તરીકે પાતળી (0.25mm કરતા ઓછી) છિદ્રાળુ લેન્થેનમ પેરોવસ્કાઇટ અને કેથોડે તરીકે Ni/Y2O3 સ્થિર કેલ્શિયમ ઓક્સાઇડ સરમેટ સાથે કોટેડ કરવામાં આવી હતી. 1000°C, 0.4A/cm2 અને 39.3W ઇનપુટ પાવર પર, એકમની હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન ક્ષમતા 17.6NL/h છે. SOE નો ગેરલાભ એ ઓવરવોલ્ટેજ છે જે કોશિકાઓ વચ્ચેના આંતરજોડાણમાં સામાન્ય રીતે થતા ઉચ્ચ ઓહ્મ નુકસાન અને બાષ્પ પ્રસરણ પરિવહનની મર્યાદાઓને કારણે ઉચ્ચ ઓવરવોલ્ટેજ સાંદ્રતાના પરિણામે થાય છે. તાજેતરના વર્ષોમાં, પ્લાનર ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષોએ ખૂબ ધ્યાન આકર્ષિત કર્યું છે [7-8]. ટ્યુબ્યુલર કોષોથી વિપરીત, સપાટ કોષો ઉત્પાદનને વધુ કોમ્પેક્ટ બનાવે છે અને હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન કાર્યક્ષમતા [6] સુધારે છે. હાલમાં, SOE ના ઔદ્યોગિક ઉપયોગ માટે મુખ્ય અવરોધ એ ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષની લાંબા ગાળાની સ્થિરતા છે [8], અને ઇલેક્ટ્રોડ વૃદ્ધત્વ અને નિષ્ક્રિયકરણની સમસ્યાઓનું કારણ બની શકે છે.