Progresul și analiza economică a producției de hidrogen prin electroliza oxizilor solizi

Progresul și analiza economică a producției de hidrogen prin electroliza oxizilor solizi

Electrolizorul cu oxid solid (SOE) folosește vapori de apă la temperatură înaltă (600 ~ 900°C) pentru electroliză, care este mai eficient decât electrolizorul alcalin și electrolizorul PEM. În anii 1960, Statele Unite și Germania au început să efectueze cercetări asupra SOE a vaporilor de apă la temperatură înaltă. Principiul de funcționare al electrolizatorului SOE este prezentat în Figura 4. Hidrogenul reciclat și vaporii de apă intră în sistemul de reacție din anod. Vaporii de apă sunt electrolizați în hidrogen la catod. O2 produs de catod se deplasează prin electrolit solid la anod, unde se recombină pentru a forma oxigen și eliberează electroni.

Spre deosebire de celulele electrolitice cu membrană alcaline și schimbătoare de protoni, electrodul SOE reacționează la contactul cu vaporii de apă și se confruntă cu provocarea de a maximiza suprafața de interfață dintre electrod și contactul cu vaporii de apă. Prin urmare, electrodul SOE are în general o structură poroasă. Scopul electrolizei cu vapori de apă este de a reduce intensitatea energiei și de a reduce costul de operare al electrolizei convenționale cu apă lichidă. De fapt, deși necesarul total de energie al reacției de descompunere a apei crește ușor odată cu creșterea temperaturii, necesarul de energie electrică scade semnificativ. Pe măsură ce temperatura electrolitică crește, o parte din energia necesară este furnizată sub formă de căldură. SOE este capabil să producă hidrogen în prezența unei surse de căldură la temperatură înaltă. Deoarece reactoarele nucleare răcite cu gaz la temperatură înaltă pot fi încălzite la 950°C, energia nucleară poate fi utilizată ca sursă de energie pentru SOE. În același timp, cercetările arată că energia regenerabilă, cum ar fi energia geotermală, are și potențialul ca sursă de căldură a electrolizei cu abur. Funcționarea la temperaturi ridicate poate reduce tensiunea bateriei și crește viteza de reacție, dar se confruntă și cu provocarea stabilității termice a materialului și a etanșării. În plus, gazul produs de catod este un amestec de hidrogen, care trebuie separat și purificat în continuare, crescând costul în comparație cu electroliza convențională a apei lichide. Utilizarea ceramicii conductoare de protoni, cum ar fi zirconatul de stronțiu, reduce costul SOE. Zirconatul de stronțiu prezintă o conductivitate excelentă a protonilor la aproximativ 700 ° C și este favorabil catodul să producă hidrogen de înaltă puritate, simplificând dispozitivul de electroliză cu abur.

Yan şi colab. [6] au raportat că tubul ceramic din zirconiu stabilizat cu oxid de calciu a fost folosit ca SOE al structurii de susținere, suprafața exterioară a fost acoperită cu perovskit de lantan poros subțire (mai puțin de 0,25 mm) ca anod și cermet de oxid de calciu stabil Ni/Y2O3 ca catod. La 1000°C, 0,4A/cm2 și o putere de intrare de 39,3W, capacitatea de producție de hidrogen a unității este de 17,6NL/h. Dezavantajul SOE este supratensiunea rezultată din pierderile mari de ohmi care sunt comune la interconexiunile dintre celule și concentrația mare de supratensiune din cauza limitărilor transportului difuziei vaporilor. În ultimii ani, celulele electrolitice plane au atras multă atenție [7-8]. Spre deosebire de celulele tubulare, celulele plate fac producția mai compactă și îmbunătățesc eficiența producției de hidrogen [6]. În prezent, principalul obstacol în calea aplicării industriale a SOE este stabilitatea pe termen lung a celulei electrolitice [8], iar problemele de îmbătrânire și dezactivare a electrodului pot fi cauzate.