Napredak i ekonomska analiza proizvodnje vodika elektrolizom krutih oksida

Napredak i ekonomska analiza proizvodnje vodika elektrolizom krutih oksida

Čvrsti oksidni elektrolizer (SOE) koristi vodenu paru visoke temperature (600 ~ 900°C) za elektrolizu, što je učinkovitije od alkalnog elektrolizera i PEM elektrolizera. Šezdesetih godina prošlog stoljeća Sjedinjene Države i Njemačka počele su provoditi istraživanja visokotemperaturne vodene pare SOE. Princip rada SOE elektrolizatora prikazan je na slici 4. Reciklirani vodik i vodena para ulaze u reakcijski sustav s anode. Vodena para se elektrolizira u vodik na katodi. O2 proizveden na katodi kreće se kroz čvrsti elektrolit do anode, gdje se rekombinira stvarajući kisik i oslobađajući elektrone.

Za razliku od elektrolitičkih ćelija s alkalnom membranom i membranom za izmjenu protona, SOE elektroda reagira u kontaktu s vodenom parom i suočava se s izazovom maksimiziranja površine sučelja između elektrode i kontakta s vodenom parom. Stoga SOE elektroda općenito ima poroznu strukturu. Svrha elektrolize vodenom parom je smanjiti energetski intenzitet i smanjiti troškove rada konvencionalne elektrolize tekuće vode. U stvari, iako ukupna potreba za energijom reakcije razgradnje vode neznatno raste s povećanjem temperature, potreba za električnom energijom značajno opada. Kako elektrolitička temperatura raste, dio potrebne energije se isporučuje kao toplina. SOE je sposoban proizvoditi vodik u prisutnosti izvora topline visoke temperature. Budući da se visokotemperaturni nuklearni reaktori hlađeni plinom mogu zagrijati na 950°C, nuklearna energija može se koristiti kao izvor energije za SOE. Istodobno, istraživanje pokazuje da obnovljivi izvori energije poput geotermalne energije također imaju potencijal kao izvor topline elektrolize pare. Rad na visokoj temperaturi može smanjiti napon baterije i povećati brzinu reakcije, ali se također suočava s izazovom toplinske stabilnosti materijala i brtvljenja. Osim toga, plin koji proizvodi katoda je vodikova smjesa koju je potrebno dodatno odvojiti i pročistiti, što povećava troškove u usporedbi s konvencionalnom elektrolizom tekuće vode. Korištenje keramike koja vodi proton, kao što je stroncijev cirkonat, smanjuje trošak SOE. Stroncijev cirkonat pokazuje izvrsnu protonsku vodljivost na oko 700°C i pogoduje katodi za proizvodnju vodika visoke čistoće, pojednostavljujući uređaj za elektrolizu parom.

Yan i sur. [6] izvijestili su da je cirkonij keramička cijev stabilizirana kalcijevim oksidom korištena kao SOE potporne strukture, vanjska površina je presvučena tankim (manje od 0,25 mm) poroznim lantan perovskitom kao anodom, a Ni/Y2O3 stabilnim kermetom od kalcijevog oksida kao katodom. Pri 1000°C, 0,4 A/cm2 i 39,3 W ulazne snage, kapacitet proizvodnje vodika jedinice je 17,6 NL/h. Nedostatak SOE je prenapon koji proizlazi iz velikih ohmskih gubitaka koji su uobičajeni na međuspojenjima između ćelija, te visoka koncentracija prenapona zbog ograničenja prijenosa difuzije pare. Posljednjih godina planarne elektrolitičke ćelije privukle su veliku pažnju [7-8]. Za razliku od cjevastih ćelija, ravne ćelije čine proizvodnju kompaktnijom i poboljšavaju učinkovitost proizvodnje vodika [6]. Trenutačno je glavna prepreka industrijskoj primjeni SOE dugoročna stabilnost elektrolitičke ćelije [8], a mogu nastati i problemi starenja i deaktivacije elektrode.