Vandenilio gamybos pažanga ir ekonominė analizė kietųjų oksidų elektrolizės būdu

Vandenilio gamybos pažanga ir ekonominė analizė kietųjų oksidų elektrolizės būdu

Kietojo oksido elektrolizatorius (SOE) elektrolizei naudoja aukštos temperatūros vandens garus (600–900 °C), o tai yra efektyvesnis už šarminį elektrolizatorių ir PEM elektrolizatorių. 1960-aisiais JAV ir Vokietija pradėjo vykdyti aukštos temperatūros vandens garų SOE tyrimus. SOE elektrolizatoriaus veikimo principas parodytas 4 pav. Perdirbtas vandenilis ir vandens garai patenka į reakcijos sistemą iš anodo. Vandens garai ant katodo elektrolizuojami į vandenilį. Katodo gaminamas O2 per kietąjį elektrolitą juda į anodą, kur rekombinuojasi sudarydamas deguonį ir išlaisvindamas elektronus.

Skirtingai nuo šarminių ir protonų mainų membraninių elektrolitinių elementų, SOE elektrodas reaguoja su vandens garų kontaktu ir susiduria su iššūkiu maksimaliai padidinti sąsajos plotą tarp elektrodo ir vandens garų kontakto. Todėl SOE elektrodas paprastai turi porėtą struktūrą. Vandens garų elektrolizės tikslas – sumažinti įprastos skysto vandens elektrolizės energijos intensyvumą ir eksploatacines išlaidas. Tiesą sakant, nors bendras vandens skilimo reakcijos energijos poreikis šiek tiek didėja didėjant temperatūrai, elektros energijos poreikis žymiai sumažėja. Didėjant elektrolizės temperatūrai, dalis reikalingos energijos tiekiama kaip šiluma. SOE gali gaminti vandenilį esant aukštos temperatūros šilumos šaltiniui. Kadangi aukštos temperatūros dujomis aušinami branduoliniai reaktoriai gali būti kaitinami iki 950°C, branduolinė energija gali būti naudojama kaip energijos šaltinis VSĮ. Tuo pačiu metu tyrimai rodo, kad atsinaujinanti energija, tokia kaip geoterminė energija, taip pat gali būti garų elektrolizės šilumos šaltinis. Naudojant aukštoje temperatūroje gali sumažėti akumuliatoriaus įtampa ir padidėti reakcijos greitis, tačiau taip pat susiduriama su medžiagos terminio stabilumo ir sandarinimo iššūkiais. Be to, katodo gaminamos dujos yra vandenilio mišinys, kurį reikia toliau atskirti ir išvalyti, todėl padidėja sąnaudos, palyginti su įprastine skysto vandens elektrolize. Protonams laidžios keramikos, tokios kaip stroncio cirkonatas, naudojimas sumažina SOE kainą. Stroncio cirkonatas pasižymi puikiu protonų laidumu maždaug 700 ° C temperatūroje ir yra palankus katodui gaminti didelio grynumo vandenilį, supaprastindamas garų elektrolizės įrenginį.

Yan ir kt. [6] pranešė, kad cirkonio dioksido keramikos vamzdis, stabilizuotas kalcio oksidu, buvo naudojamas kaip atraminės struktūros SOE, išorinis paviršius buvo padengtas plonu (mažiau nei 0,25 mm) akytu lantano perovskitu kaip anodu ir Ni/Y2O3 stabiliu kalcio oksido kermetu kaip katodu. Esant 1000°C temperatūrai, 0,4A/cm2 ir 39,3W įėjimo galiai, įrenginio vandenilio gamybos pajėgumas yra 17,6NL/val. SOE trūkumas yra viršįtampis, atsirandantis dėl didelių omų nuostolių, kurie yra dažni elementų jungtyse, ir didelė viršįtampio koncentracija dėl garų difuzijos transportavimo apribojimų. Pastaraisiais metais didelio dėmesio sulaukė plokštieji elektrolitiniai elementai [7-8]. Priešingai nei vamzdinės ląstelės, plokščios ląstelės daro gamybą kompaktiškesnę ir pagerina vandenilio gamybos efektyvumą [6]. Šiuo metu pagrindinė SOE pramoninio taikymo kliūtis yra ilgalaikis elektrolizės elemento stabilumas [8], todėl gali kilti elektrodų senėjimo ir deaktyvavimo problemų.