Fremdrift og økonomisk analyse av hydrogenproduksjon ved elektrolyse av faste oksider

Fremdrift og økonomisk analyse av hydrogenproduksjon ved elektrolyse av faste oksider

Solid oxide electrolyzer (SOE) bruker høytemperatur vanndamp (600 ~ 900°C) for elektrolyse, noe som er mer effektivt enn alkalisk elektrolysator og PEM-elektrolysator. På 1960-tallet begynte USA og Tyskland å forske på høytemperatur vanndamp SOE. Arbeidsprinsippet til SOE elektrolysator er vist i figur 4. Resirkulert hydrogen og vanndamp kommer inn i reaksjonssystemet fra anoden. Vanndampen elektrolyseres til hydrogen ved katoden. O2 produsert av katoden beveger seg gjennom den faste elektrolytten til anoden, hvor den rekombinerer for å danne oksygen og frigjøre elektroner.

I motsetning til alkaliske og protonutvekslingsmembranelektrolyseceller, reagerer SOE-elektroden med vanndampkontakt og står overfor utfordringen med å maksimere grensesnittområdet mellom elektroden og vanndampkontakten. Derfor har SOE-elektroden generelt en porøs struktur. Hensikten med vanndampelektrolyse er å redusere energiintensiteten og redusere driftskostnadene ved konvensjonell flytende vannelektrolyse. Faktisk, selv om det totale energibehovet til vannnedbrytningsreaksjonen øker litt med økende temperatur, reduseres det elektriske energibehovet betydelig. Når den elektrolytiske temperaturen øker, tilføres en del av energien som kreves som varme. SOE er i stand til å produsere hydrogen i nærvær av en varmekilde med høy temperatur. Siden høytemperatur gasskjølte atomreaktorer kan varmes opp til 950°C, kan kjernekraft brukes som energikilde for SOE. Samtidig viser forskningen at den fornybare energien som geotermisk energi også har potensialet som varmekilde for dampelektrolyse. Å operere ved høy temperatur kan redusere batterispenningen og øke reaksjonshastigheten, men det står også overfor utfordringen med materialets termiske stabilitet og forsegling. I tillegg er gassen produsert av katoden en hydrogenblanding, som må separeres og renses ytterligere, noe som øker kostnadene sammenlignet med konvensjonell flytende vannelektrolyse. Bruken av protonledende keramikk, som strontiumzirkonat, reduserer kostnadene for SOE. Strontiumzirkonat viser utmerket protonledningsevne ved ca. 700°C, og bidrar til at katoden produserer hydrogen med høy renhet, noe som forenkler dampelektrolyseanordningen.

Yan et al. [6] rapporterte at zirkoniumoksid keramisk rør stabilisert av kalsiumoksid ble brukt som SOE med støttestruktur, den ytre overflaten ble belagt med tynn (mindre enn 0,25 mm) porøs lantanperovskitt som anode, og Ni/Y2O3 stabil kalsiumoksidcermet som katode. Ved 1000°C, 0,4A/cm2 og 39,3W inngangseffekt er hydrogenproduksjonskapasiteten til enheten 17,6NL/t. Ulempen med SOE er overspenningen som følge av høye ohm-tap som er vanlige ved sammenkoblingene mellom cellene, og den høye overspenningskonsentrasjonen på grunn av begrensningene for dampdiffusjonstransport. De siste årene har plane elektrolyseceller vakt mye oppmerksomhet [7-8]. I motsetning til rørformede celler, gjør flate celler produksjonen mer kompakt og forbedrer hydrogenproduksjonseffektiviteten [6]. For tiden er hovedhindringen for industriell anvendelse av SOE den langsiktige stabiliteten til elektrolysecellen [8], og problemene med elektrodealdring og deaktivering kan være forårsaket.