Ход и экономический анализ получения водорода электролизом твердых оксидов
Твердооксидный электролизер (SOE) использует для электролиза высокотемпературный водяной пар (600 ~ 900 ° C), что более эффективно, чем щелочной электролизер и электролизер PEM. В 1960-х годах США и Германия начали проводить исследования высокотемпературного водяного пара СОЭ. Принцип работы электролизера SOE показан на рисунке 4. Переработанный водород и водяной пар поступают в реакционную систему через анод. Водяной пар электролизуется в водород на катоде. О2, образующийся на катоде, перемещается через твердый электролит к аноду, где он рекомбинирует с образованием кислорода и высвобождением электронов.
В отличие от электролизеров с щелочной и протонообменной мембраной, электрод SOE реагирует на контакт водяного пара и сталкивается с проблемой максимизации площади интерфейса между электродом и контактом водяного пара. Поэтому электрод СОЭ обычно имеет пористую структуру. Целью электролиза водяного пара является снижение энергоемкости и снижение эксплуатационных затрат обычного электролиза жидкой воды. Фактически, хотя общая потребность в энергии реакции разложения воды немного увеличивается с повышением температуры, потребность в электроэнергии значительно снижается. По мере повышения температуры электролита часть необходимой энергии выделяется в виде тепла. СОЭ способно производить водород при наличии высокотемпературного источника тепла. Поскольку высокотемпературные ядерные реакторы с газовым охлаждением могут нагреваться до 950°C, ядерная энергия может использоваться в качестве источника энергии для ГП. В то же время исследования показывают, что возобновляемые источники энергии, такие как геотермальная энергия, также имеют потенциал в качестве источника тепла для парового электролиза. Работа при высокой температуре может снизить напряжение батареи и увеличить скорость реакции, но при этом также возникает проблема термической стабильности и герметизации материала. Кроме того, газ, образующийся на катоде, представляет собой смесь водорода, которую необходимо дополнительно разделять и очищать, что увеличивает стоимость по сравнению с обычным электролизом жидкой воды. Использование протонпроводящей керамики, например цирконата стронция, снижает стоимость СОЭ. Цирконат стронция демонстрирует превосходную протонную проводимость при температуре около 700°C и способствует производству катодом водорода высокой чистоты, что упрощает устройство парового электролиза.
Ян и др. [6] сообщили, что в качестве СОЭ несущей конструкции использовалась циркониевая керамическая трубка, стабилизированная оксидом кальция, внешняя поверхность была покрыта тонким (менее 0,25 мм) пористым перовскитом лантана в качестве анода и стабильным керметом из оксида кальция Ni/Y2O3 в качестве катода. При 1000°C, входной мощности 0,4 А/см2 и 39,3 Вт производительность установки по производству водорода составляет 17,6 нл/ч. Недостатком SOE является перенапряжение, возникающее из-за высоких омных потерь, которые часто встречаются в соединениях между элементами, а также высокая концентрация перенапряжения из-за ограничений диффузионного транспорта паров. В последние годы большое внимание привлекли планарные электролизеры [7-8]. В отличие от трубчатых элементов, плоские элементы делают производство более компактным и повышают эффективность производства водорода [6]. В настоящее время основным препятствием для промышленного применения СОЭ является долговременная стабильность электролизера [8], что может вызвать проблемы старения и дезактивации электродов.
Время публикации: 6 февраля 2023 г.