固体酸化物の電気分解による水素製造の進歩と経済分析

固体酸化物の電気分解による水素製造の進歩と経済分析

固体酸化物電解槽（SOE）は高温水蒸気（600～900℃）を利用して電解するため、アルカリ電解槽やPEM電解槽よりも効率が高くなります。 1960年代に米国とドイツが高温水蒸気SOEの研究を開始した。 SOE 電解装置の動作原理を図 4 に示します。リサイクルされた水素と水蒸気がアノードから反応システムに入ります。水蒸気は陰極で電気分解されて水素になります。カソードで生成された O2 は固体電解質を通ってアノードに移動し、そこで再結合して酸素を形成し、電子を放出します。

アルカリ電池やプロトン交換膜電解槽とは異なり、SOE 電極は水蒸気接触と反応するため、電極と水蒸気接触の間の界面面積を最大化するという課題に直面しています。したがって、ＳＯＥ電極は一般に多孔質構造を有する。水蒸気電気分解の目的は、従来の液体水電気分解のエネルギー強度を削減し、運転コストを削減することです。実際、水の分解反応に必要な総エネルギーは温度の上昇とともにわずかに増加しますが、電気エネルギーの必要量は大幅に減少します。電解質の温度が上昇すると、必要なエネルギーの一部が熱として供給されます。 SOE は、高温熱源の存在下で水素を生成することができます。高温ガス炉は950℃まで加熱できるため、原子力を国有企業のエネルギー源として利用することができます。同時に、地熱エネルギーなどの再生可能エネルギーも水蒸気電解の熱源としての可能性を秘めていることが研究で明らかになりました。高温で動作させるとバッテリー電圧が低下し、反応速度が向上しますが、材料の熱安定性と密閉性という課題にも直面します。さらに、陰極で生成されるガスは水素混合物であるため、さらに分離して精製する必要があり、従来の液体水の電気分解と比較してコストが増加します。ジルコン酸ストロンチウムなどのプロトン伝導性セラミックスの使用により、SOE のコストが削減されます。ジルコン酸ストロンチウムは約 700℃で優れたプロトン伝導性を示し、陰極で高純度の水素を生成するのに役立ち、水蒸気電解装置を簡素化します。

ヤンら。 [6]は、酸化カルシウムによって安定化されたジルコニアセラミックチューブが支持構造のSOEとして使用され、外面がアノードとして薄い（0.25mm未満）多孔質ランタンペロブスカイトでコーティングされ、カソードとしてNi/Y2O3安定酸化カルシウムサーメットがコーティングされたと報告しました。 1000℃、0.4A/cm2、39.3Wの入力電力で、ユニットの水素生成能力は17.6NL/hです。 SOE の欠点は、セル間の相互接続で一般的な高いオーム損失から生じる過電圧と、蒸気拡散輸送の制限による高い過電圧集中です。近年、平面型電解槽が大きな注目を集めています[7-8]。管状セルとは対照的に、フラットセルは製造をよりコンパクトにし、水素生成効率を向上させます[6]。現在、SOE の産業応用に対する主な障害は電解槽の長期安定性であり [8]、電極の経年劣化や不活性化の問題が発生する可能性があります。