A szilárd oxidok elektrolízisével történő hidrogéntermelés előrehaladása és gazdasági elemzése

A szilárd oxidok elektrolízisével történő hidrogéntermelés előrehaladása és gazdasági elemzése

A szilárd oxid-elektrolizátor (SOE) magas hőmérsékletű vízgőzt (600–900 °C) használ az elektrolízishez, ami hatékonyabb, mint a lúgos elektrolizáló és a PEM elektrolizáló. Az 1960-as években az Egyesült Államok és Németország megkezdte a magas hőmérsékletű vízgőz SOE kutatását. A SOE elektrolizáló működési elvét a 4. ábra mutatja be. Az anódból újrahasznosított hidrogén és vízgőz jut be a reakciórendszerbe. A vízgőz a katódon hidrogénné elektrolizálódik. A katód által termelt O2 a szilárd elektroliton keresztül az anódhoz jut, ahol újraegyesül, oxigént képez és elektronokat szabadít fel.

A lúgos és protoncserélő membrán elektrolitikus cellákkal ellentétben a SOE elektróda vízgőzérintkezővel reagál, és azzal a kihívással néz szembe, hogy maximalizálja az elektróda és a vízgőz érintkezés közötti határfelületet. Ezért az SOE elektróda általában porózus szerkezetű. A vízgőz-elektrolízis célja a hagyományos folyékony víz elektrolízis energiaintenzitásának és üzemeltetési költségének csökkentése. Valójában bár a vízbomlási reakció teljes energiaigénye kissé növekszik a hőmérséklet emelkedésével, az elektromos energiaigény jelentősen csökken. Az elektrolitikus hőmérséklet emelkedésével a szükséges energia egy részét hőként szolgáltatják. A SOE magas hőmérsékletű hőforrás jelenlétében képes hidrogént előállítani. Mivel a magas hőmérsékletű gázhűtéses atomreaktorok 950°C-ra fűthetők, így az atomenergia energiaforrásként használható a SOE számára. Ugyanakkor a kutatás azt mutatja, hogy a megújuló energia, például a geotermikus energia a gőzelektrolízis hőforrásaként is megvan. A magas hőmérsékleten történő működés csökkentheti az akkumulátor feszültségét és növelheti a reakciósebességet, de az anyag hőstabilitása és tömítése is kihívást jelent. Ezenkívül a katód által termelt gáz hidrogénkeverék, amelyet tovább kell szeparálni és tisztítani, ami a hagyományos folyékony vizes elektrolízishez képest megnöveli a költségeket. A protonvezető kerámiák, például a stroncium-cirkonát használata csökkenti a SOE költségeit. A stroncium-cirkonát kiváló protonvezetőképességet mutat körülbelül 700 °C-on, és elősegíti a katódot nagy tisztaságú hidrogén előállítására, egyszerűsítve a gőzelektrolízis eszközt.

Yan és mtsai. [6] arról számolt be, hogy kalcium-oxiddal stabilizált cirkónium-oxid kerámia csövet használtak tartószerkezetként, a külső felületet vékony (0,25 mm-nél kisebb) porózus lantán-perovszkittal vonták be anódként, és Ni/Y2O3 stabil kalcium-oxid cermetet katódként. 1000°C-on, 0,4A/cm2 és 39,3W bemeneti teljesítmény mellett az egység hidrogéntermelő kapacitása 17,6NL/h. A SOE hátránya a nagy ohmos veszteségekből adódó túlfeszültség, amely a cellák közötti összeköttetéseknél gyakori, és a magas túlfeszültség-koncentráció a páradiffúziós transzport korlátai miatt. Az elmúlt években a sík elektrolitikus cellák nagy figyelmet kaptak [7-8]. A cső alakú cellákkal ellentétben a lapos cellák kompaktabbá teszik a gyártást és javítják a hidrogéntermelés hatékonyságát [6]. Jelenleg a SOE ipari alkalmazásának fő akadálya az elektrolitikus cella hosszú távú stabilitása [8], ami az elektródák öregedésének és deaktiválódásának problémáit okozhatja.