Ūdeņraža ražošanas progresa un ekonomiskā analīze ar cieto oksīdu elektrolīzi

Ūdeņraža ražošanas progresa un ekonomiskā analīze ar cieto oksīdu elektrolīzi

Cietā oksīda elektrolizators (SOE) elektrolīzei izmanto augstas temperatūras ūdens tvaikus (600 ~ 900 ° C), kas ir efektīvāks nekā sārma elektrolizators un PEM elektrolizators. Sešdesmitajos gados ASV un Vācija sāka veikt augstas temperatūras ūdens tvaiku SOE pētījumus. SOE elektrolizatora darbības princips ir parādīts 4. attēlā. Reciklētais ūdeņradis un ūdens tvaiki nonāk reakcijas sistēmā no anoda. Pie katoda ūdens tvaiki tiek elektrolizēti par ūdeņradi. Katoda radītais O2 caur cieto elektrolītu pārvietojas uz anodu, kur tas rekombinējas, veidojot skābekli un atbrīvojot elektronus.

Atšķirībā no sārmainās un protonu apmaiņas membrānas elektrolītiskajām šūnām, SOE elektrods reaģē ar ūdens tvaiku kontaktu un saskaras ar izaicinājumu maksimāli palielināt saskarnes laukumu starp elektrodu un ūdens tvaiku kontaktu. Tāpēc SOE elektrodam parasti ir poraina struktūra. Ūdens tvaiku elektrolīzes mērķis ir samazināt parastās šķidrā ūdens elektrolīzes enerģijas intensitāti un darbības izmaksas. Faktiski, lai gan kopējā enerģijas nepieciešamība ūdens sadalīšanās reakcijai nedaudz palielinās, palielinoties temperatūrai, elektroenerģijas nepieciešamība ievērojami samazinās. Palielinoties elektrolīta temperatūrai, daļa no nepieciešamās enerģijas tiek piegādāta kā siltums. SOE spēj ražot ūdeņradi augstas temperatūras siltuma avota klātbūtnē. Tā kā augstas temperatūras gāzi dzesējamos kodolreaktorus var uzsildīt līdz 950°C, kodolenerģiju var izmantot kā SOE enerģijas avotu. Tajā pašā laikā pētījumi liecina, ka atjaunojamai enerģijai, piemēram, ģeotermālajai enerģijai, ir arī potenciāls kā tvaika elektrolīzes siltuma avotam. Darbība augstā temperatūrā var samazināt akumulatora spriegumu un palielināt reakcijas ātrumu, taču tā saskaras arī ar materiāla termiskās stabilitātes un blīvējuma izaicinājumu. Turklāt katoda radītā gāze ir ūdeņraža maisījums, kas ir tālāk jāatdala un jāattīra, palielinot izmaksas salīdzinājumā ar parasto šķidrā ūdens elektrolīzi. Protonu vadošas keramikas, piemēram, stroncija cirkonāta, izmantošana samazina SOE izmaksas. Stroncija cirkonātam ir lieliska protonu vadītspēja aptuveni 700 ° C temperatūrā, un tas veicina katoda augstas tīrības pakāpes ūdeņraža ražošanu, vienkāršojot tvaika elektrolīzes ierīci.

Yan et al. [6] ziņoja, ka cirkonija keramikas caurule, kas stabilizēta ar kalcija oksīdu, tika izmantota kā atbalsta struktūras SOE, ārējā virsma tika pārklāta ar plānu (mazāk nekā 0,25 mm) porainu lantāna perovskītu kā anodu un Ni/Y2O3 stabilu kalcija oksīda metālkeramiku kā katodu. Pie 1000°C, 0,4A/cm2 un 39,3W ievades jaudas iekārtas ūdeņraža ražošanas jauda ir 17,6NL/h. SOE trūkums ir pārspriegums, kas rodas no lieliem omu zudumiem, kas ir izplatīti starpsavienojumos starp elementiem, un augstā pārsprieguma koncentrācija tvaika difūzijas transporta ierobežojumu dēļ. Pēdējos gados lielu uzmanību ir piesaistījušas plakanās elektrolītiskās šūnas [7-8]. Atšķirībā no cauruļveida šūnām plakanas šūnas padara ražošanu kompaktāku un uzlabo ūdeņraža ražošanas efektivitāti [6]. Pašlaik galvenais šķērslis SOE rūpnieciskai izmantošanai ir elektrolītiskās šūnas ilgtermiņa stabilitāte [8], un var rasties elektrodu novecošanās un dezaktivācijas problēmas.