Vooruitgang en economische analyse van waterstofproductie door elektrolyse van vaste oxiden
Vaste-oxide-elektrolysator (SOE) gebruikt waterdamp op hoge temperatuur (600 ~ 900 ° C) voor elektrolyse, wat efficiënter is dan alkalische elektrolysator en PEM-elektrolysator. In de jaren zestig begonnen de Verenigde Staten en Duitsland onderzoek te doen naar waterdamp-SOE op hoge temperatuur. Het werkingsprincipe van de SOE-elektrolysator wordt weergegeven in figuur 4. Gerecycleerde waterstof en waterdamp komen via de anode het reactiesysteem binnen. De waterdamp wordt bij de kathode geëlektrolyseerd tot waterstof. De door de kathode geproduceerde O2 beweegt door de vaste elektrolyt naar de anode, waar het recombineert om zuurstof te vormen en elektronen vrij te geven.
In tegenstelling tot elektrolytische cellen met alkalische en protonenuitwisselingsmembraan, reageert de SOE-elektrode met waterdampcontact en staat voor de uitdaging om het grensvlakgebied tussen de elektrode en waterdampcontact te maximaliseren. Daarom heeft de SOE-elektrode in het algemeen een poreuze structuur. Het doel van waterdampelektrolyse is het verminderen van de energie-intensiteit en het verlagen van de bedrijfskosten van conventionele vloeibaar-waterelektrolyse. Hoewel de totale energiebehoefte van de waterontledingsreactie enigszins toeneemt met toenemende temperatuur, neemt de elektrische energiebehoefte aanzienlijk af. Naarmate de elektrolytische temperatuur stijgt, wordt een deel van de benodigde energie als warmte geleverd. De SOE is in staat waterstof te produceren in aanwezigheid van een warmtebron met hoge temperatuur. Omdat gasgekoelde kernreactoren op hoge temperatuur tot 950°C kunnen worden verwarmd, kan kernenergie worden gebruikt als energiebron voor de staatsbedrijven. Tegelijkertijd laat het onderzoek zien dat hernieuwbare energie zoals geothermie ook potentie heeft als warmtebron voor stoomelektrolyse. Werken bij hoge temperaturen kan de accuspanning verlagen en de reactiesnelheid verhogen, maar wordt ook geconfronteerd met de uitdaging van de thermische stabiliteit en afdichting van het materiaal. Bovendien is het door de kathode geproduceerde gas een waterstofmengsel, dat verder moet worden gescheiden en gezuiverd, waardoor de kosten stijgen in vergelijking met conventionele vloeibaar-waterelektrolyse. Het gebruik van protongeleidende keramiek, zoals strontiumzirkonaat, verlaagt de kosten van staatsbedrijven. Strontiumzirkonaat vertoont een uitstekende protongeleiding bij ongeveer 700°C, en is bevorderlijk voor de kathode om waterstof met een hoge zuiverheid te produceren, wat de stoomelektrolyse-inrichting vereenvoudigt.
Yan et al. [6] meldde dat een keramische buis van zirkoniumoxide, gestabiliseerd door calciumoxide, werd gebruikt als SOE van de ondersteunende structuur, het buitenoppervlak was bedekt met dun (minder dan 0,25 mm) poreus lanthaanperovskiet als anode en Ni / Y2O3 stabiele calciumoxide-cermet als kathode. Bij 1000°C, 0,4A/cm2 en 39,3W ingangsvermogen bedraagt de waterstofproductiecapaciteit van de unit 17,6NL/u. Het nadeel van SOE is de overspanning die het gevolg is van hoge ohm-verliezen die gebruikelijk zijn bij de verbindingen tussen cellen, en de hoge overspanningsconcentratie als gevolg van de beperkingen van het dampdiffusietransport. De afgelopen jaren hebben vlakke elektrolytische cellen veel aandacht getrokken [7-8]. In tegenstelling tot buiscellen maken platte cellen de productie compacter en verbeteren ze de efficiëntie van de waterstofproductie [6]. Momenteel is het belangrijkste obstakel voor de industriële toepassing van SOE de stabiliteit op lange termijn van de elektrolytische cel [8], en de problemen van veroudering en deactivering van de elektroden kunnen hierdoor worden veroorzaakt.
Posttijd: 06-feb-2023