ठोस ऑक्साइड के इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन की प्रगति और आर्थिक विश्लेषण

ठोस ऑक्साइड के इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन की प्रगति और आर्थिक विश्लेषण

सॉलिड ऑक्साइड इलेक्ट्रोलाइज़र (एसओई) इलेक्ट्रोलिसिस के लिए उच्च तापमान वाले जल वाष्प (600 ~ 900 डिग्री सेल्सियस) का उपयोग करता है, जो क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र और पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र से अधिक कुशल है। 1960 के दशक में, संयुक्त राज्य अमेरिका और जर्मनी ने उच्च तापमान वाले जल वाष्प SOE पर अनुसंधान करना शुरू किया। एसओई इलेक्ट्रोलाइज़र का कार्य सिद्धांत चित्र 4 में दिखाया गया है। पुनर्नवीनीकरण हाइड्रोजन और जल वाष्प एनोड से प्रतिक्रिया प्रणाली में प्रवेश करते हैं। कैथोड पर जलवाष्प को इलेक्ट्रोलाइज करके हाइड्रोजन बनाया जाता है। कैथोड द्वारा उत्पादित O2 ठोस इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से एनोड में चला जाता है, जहां यह ऑक्सीजन बनाने और इलेक्ट्रॉनों को छोड़ने के लिए पुनः संयोजित होता है।

क्षारीय और प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाओं के विपरीत, एसओई इलेक्ट्रोड जल वाष्प संपर्क के साथ प्रतिक्रिया करता है और इलेक्ट्रोड और जल वाष्प संपर्क के बीच इंटरफेस क्षेत्र को अधिकतम करने की चुनौती का सामना करता है। इसलिए, एसओई इलेक्ट्रोड में आम तौर पर एक छिद्रपूर्ण संरचना होती है। जल वाष्प इलेक्ट्रोलिसिस का उद्देश्य ऊर्जा की तीव्रता को कम करना और पारंपरिक तरल जल इलेक्ट्रोलिसिस की परिचालन लागत को कम करना है। वास्तव में, यद्यपि बढ़ते तापमान के साथ जल अपघटन प्रतिक्रिया की कुल ऊर्जा आवश्यकता थोड़ी बढ़ जाती है, विद्युत ऊर्जा की आवश्यकता काफी कम हो जाती है। जैसे-जैसे इलेक्ट्रोलाइटिक तापमान बढ़ता है, आवश्यक ऊर्जा का कुछ हिस्सा ऊष्मा के रूप में आपूर्ति की जाती है। एसओई उच्च तापमान ताप स्रोत की उपस्थिति में हाइड्रोजन का उत्पादन करने में सक्षम है। चूँकि उच्च तापमान वाले गैस-ठंडा परमाणु रिएक्टरों को 950°C तक गर्म किया जा सकता है, परमाणु ऊर्जा का उपयोग SOE के लिए ऊर्जा स्रोत के रूप में किया जा सकता है। साथ ही, शोध से पता चलता है कि भू-तापीय ऊर्जा जैसी नवीकरणीय ऊर्जा में भाप इलेक्ट्रोलिसिस के ताप स्रोत के रूप में भी क्षमता है। उच्च तापमान पर संचालन से बैटरी वोल्टेज कम हो सकता है और प्रतिक्रिया दर बढ़ सकती है, लेकिन इसमें सामग्री थर्मल स्थिरता और सीलिंग की चुनौती का भी सामना करना पड़ता है। इसके अलावा, कैथोड द्वारा उत्पादित गैस एक हाइड्रोजन मिश्रण है, जिसे पारंपरिक तरल जल इलेक्ट्रोलिसिस की तुलना में अलग करने और शुद्ध करने की आवश्यकता होती है, जिससे लागत बढ़ जाती है। स्ट्रोंटियम ज़िरकोनेट जैसे प्रोटॉन-संचालन सिरेमिक का उपयोग, एसओई की लागत को कम करता है। स्ट्रोंटियम ज़िरकोनेट लगभग 700°C पर उत्कृष्ट प्रोटॉन चालकता दिखाता है, और कैथोड के लिए उच्च शुद्धता वाले हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए अनुकूल है, जो भाप इलेक्ट्रोलिसिस उपकरण को सरल बनाता है।

यान एट अल. [6] बताया गया है कि कैल्शियम ऑक्साइड द्वारा स्थिर ज़िरकोनिया सिरेमिक ट्यूब का उपयोग सहायक संरचना के एसओई के रूप में किया गया था, बाहरी सतह को एनोड के रूप में पतली (0.25 मिमी से कम) झरझरा लैंथेनम पेरोव्स्काइट और कैथोड के रूप में Ni/Y2O3 स्थिर कैल्शियम ऑक्साइड सेरमेट के साथ लेपित किया गया था। 1000°C, 0.4A/cm2 और 39.3W इनपुट पावर पर, यूनिट की हाइड्रोजन उत्पादन क्षमता 17.6NL/h है। एसओई का नुकसान उच्च ओम हानि के परिणामस्वरूप होने वाला ओवरवोल्टेज है जो कोशिकाओं के बीच अंतर्संबंध में आम है, और वाष्प प्रसार परिवहन की सीमाओं के कारण उच्च ओवरवोल्टेज एकाग्रता है। हाल के वर्षों में, प्लेनर इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाओं ने बहुत अधिक ध्यान आकर्षित किया है [7-8]। ट्यूबलर कोशिकाओं के विपरीत, फ्लैट कोशिकाएं विनिर्माण को अधिक कॉम्पैक्ट बनाती हैं और हाइड्रोजन उत्पादन दक्षता में सुधार करती हैं [6]। वर्तमान में, एसओई के औद्योगिक अनुप्रयोग में मुख्य बाधा इलेक्ट्रोलाइटिक सेल की दीर्घकालिक स्थिरता है [8], और इलेक्ट्रोड की उम्र बढ़ने और निष्क्रिय होने की समस्याएं हो सकती हैं।