התקדמות וניתוח כלכלי של ייצור מימן על ידי אלקטרוליזה של תחמוצות מוצקות

התקדמות וניתוח כלכלי של ייצור מימן על ידי אלקטרוליזה של תחמוצות מוצקות

אלקטרוליזר תחמוצת מוצק (SOE) משתמש באדי מים בטמפרטורה גבוהה (600 ~ 900 מעלות צלזיוס) לאלקטרוליזה, שהיא יעילה יותר מאלקטרוליזר אלקליין ומאלקטרוליזר PEM. בשנות ה-60 החלו ארצות הברית וגרמניה לבצע מחקר על אדי מים בטמפרטורה גבוהה SOE. עקרון העבודה של SOE electrolyzer מוצג באיור 4. מימן ואדי מים ממוחזרים נכנסים למערכת התגובה מהאנודה. אדי המים עוברים אלקטרוליזה למימן בקתודה. O2 המיוצר על ידי הקתודה עובר דרך האלקטרוליט המוצק אל האנודה, שם הוא מתחבר מחדש ליצירת חמצן ושחרור אלקטרונים.

בניגוד לתאים אלקטרוליטיים ממברנות אלקליין וחילופי פרוטונים, אלקטרודת SOE מגיבה עם מגע אדי מים ועומדת בפני האתגר של מקסום שטח הממשק בין האלקטרודה למגע אדי המים. לכן, לאלקטרודת SOE יש בדרך כלל מבנה נקבובי. מטרת האלקטרוליזה של אדי מים היא להפחית את עוצמת האנרגיה ולהפחית את עלות התפעול של אלקטרוליזה רגילה של מים נוזליים. למעשה, למרות שדרישת האנרגיה הכוללת של תגובת פירוק המים עולה מעט עם עליית הטמפרטורה, דרישת האנרגיה החשמלית יורדת באופן משמעותי. ככל שהטמפרטורה האלקטרוליטית עולה, חלק מהאנרגיה הנדרשת מסופק כחום. ה-SOE מסוגל לייצר מימן בנוכחות מקור חום בטמפרטורה גבוהה. מכיוון שניתן לחמם כורים גרעיניים מקוררי גז בטמפרטורה גבוהה ל-950 מעלות צלזיוס, ניתן להשתמש באנרגיה גרעינית כמקור אנרגיה עבור ה-SOE. יחד עם זאת, המחקר מראה כי לאנרגיה המתחדשת כגון אנרגיה גיאותרמית יש גם פוטנציאל כמקור החום לאלקטרוליזה בקיטור. הפעלה בטמפרטורה גבוהה יכולה להפחית את מתח הסוללה ולהגביר את קצב התגובה, אך היא גם עומדת בפני האתגר של יציבות תרמית ואטימה של החומר. בנוסף, הגז המיוצר על ידי הקתודה הוא תערובת מימן, אשר יש צורך להפריד ולטהר עוד יותר, מה שמגדיל את העלות בהשוואה לאלקטרוליזה רגילה של מים נוזליים. השימוש בקרמיקה מוליכת פרוטונים, כגון סטרונציום זירקונט, מפחית את העלות של SOE. סטרונציום זירקונט מציג מוליכות פרוטונים מצוינת בכ-700 מעלות צלזיוס, והוא תורם לקתודה לייצר מימן בטוהר גבוה, מה שמפשט את מכשיר האלקטרוליזה בקיטור.

יאן וחב'. [6] דיווח כי צינור קרמיקה זירקוניה מיוצב על ידי תחמוצת סידן שימש כ-SOE של מבנה תומך, המשטח החיצוני היה מצופה בלנטנום פרוסקיט נקבובי דק (פחות מ-0.25 מ"מ) כאנודה, ו-Ni/Y2O3 cermet תחמוצת סידן יציב כקתודה. ב-1000°C, 0.4A/cm2 ו-39.3W הספק כניסה, כושר ייצור המימן של היחידה הוא 17.6NL/h. החיסרון של SOE הוא מתח היתר הנובע מהפסדי אוהם גבוהים הנפוצים בחיבורים בין תאים, וריכוז מתח היתר הגבוה עקב מגבלות הובלת דיפוזיה של אדים. בשנים האחרונות, תאים אלקטרוליטיים מישוריים משכו תשומת לב רבה [7-8]. בניגוד לתאים צינוריים, תאים שטוחים הופכים את הייצור לקומפקטי יותר ומשפרים את יעילות ייצור המימן [6]. כיום, המכשול העיקרי ליישום התעשייתי של SOE הוא היציבות ארוכת הטווח של התא האלקטרוליטי [8], ועלולות להיגרם בעיות של הזדקנות האלקטרודות וההשבתה.