Postęp i analiza ekonomiczna produkcji wodoru metodą elektrolizy stałych tlenków

Postęp i analiza ekonomiczna produkcji wodoru metodą elektrolizy stałych tlenków

Elektrolizer ze stałym tlenkiem (SOE) wykorzystuje do elektrolizy parę wodną o wysokiej temperaturze (600 ~ 900°C), która jest bardziej wydajna niż elektrolizer alkaliczny i elektrolizer PEM. W latach 60. XX w. Stany Zjednoczone i Niemcy rozpoczęły badania nad wysokotemperaturową parą wodną SOE. Zasadę działania elektrolizera SOE pokazano na rysunku 4. Odzyskany wodór i para wodna dostają się do układu reakcyjnego z anody. Para wodna ulega elektrolizie na katodzie do wodoru. O2 wytwarzany przez katodę przechodzi przez stały elektrolit do anody, gdzie ponownie łączy się, tworząc tlen i uwalniając elektrony.

W przeciwieństwie do ogniw elektrolitycznych z membraną alkaliczną i membraną do wymiany protonów, elektroda SOE reaguje z kontaktem z parą wodną i staje przed wyzwaniem maksymalizacji powierzchni styku między elektrodą a kontaktem pary wodnej. Dlatego elektroda SOE ma ogólnie porowatą strukturę. Celem elektrolizy pary wodnej jest zmniejszenie energochłonności i zmniejszenie kosztów operacyjnych konwencjonalnej elektrolizy wody w stanie ciekłym. W rzeczywistości, chociaż całkowite zapotrzebowanie na energię w reakcji rozkładu wody nieznacznie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, zapotrzebowanie na energię elektryczną znacznie maleje. Wraz ze wzrostem temperatury elektrolitu część wymaganej energii jest dostarczana w postaci ciepła. SOE jest w stanie wytwarzać wodór w obecności wysokotemperaturowego źródła ciepła. Ponieważ wysokotemperaturowe reaktory jądrowe chłodzone gazem można ogrzać do 950°C, energia jądrowa może być wykorzystywana jako źródło energii dla SOE. Jednocześnie badania pokazują, że energia odnawialna, taka jak energia geotermalna, ma również potencjał jako źródło ciepła podczas elektrolizy pary. Praca w wysokiej temperaturze może obniżyć napięcie akumulatora i zwiększyć szybkość reakcji, ale wiąże się również z wyzwaniem związanym ze stabilnością termiczną materiału i szczelnością. Ponadto gaz wytwarzany przez katodę jest mieszaniną wodoru, którą należy dalej oddzielać i oczyszczać, co zwiększa koszt w porównaniu z konwencjonalną elektrolizą ciekłej wody. Zastosowanie ceramiki przewodzącej protony, takiej jak cyrkonian strontu, zmniejsza koszt SOE. Cyrkonian strontu wykazuje doskonałą przewodność protonową w temperaturze około 700°C i sprzyja katodzie wytwarzającej wodór o wysokiej czystości, co upraszcza urządzenie do elektrolizy parowej.

Yan i in. [6] podali, że jako SOE konstrukcji nośnej zastosowano rurkę ceramiczną z tlenku cyrkonu stabilizowaną tlenkiem wapnia, a zewnętrzną powierzchnię pokryto cienkim (mniej niż 0,25 mm) porowatym perowskitem lantanowym jako anodę i stabilnym cermetalem z tlenku wapnia Ni/Y2O3 jako katodą. Przy temperaturze 1000°C, 0,4 A/cm2 i mocy wejściowej 39,3 W, wydajność produkcji wodoru przez jednostkę wynosi 17,6 NL/h. Wadą SOE jest przepięcie wynikające z dużych strat omowych, które są powszechne na połączeniach między ogniwami, oraz wysokie stężenie przepięć wynikające z ograniczeń transportu dyfuzyjnego pary. W ostatnich latach dużym zainteresowaniem cieszą się płaskie ogniwa elektrolityczne [7-8]. W przeciwieństwie do ogniw rurowych, ogniwa płaskie sprawiają, że produkcja jest bardziej zwarta i poprawiają wydajność produkcji wodoru [6]. Obecnie główną przeszkodą w przemysłowym zastosowaniu SOE jest długoterminowa stabilność ogniwa elektrolitycznego [8], co może powodować problemy ze starzeniem się i dezaktywacją elektrody.