Vývoj a ekonomická analýza výroby vodíka elektrolýzou pevných oxidov

Vývoj a ekonomická analýza výroby vodíka elektrolýzou pevných oxidov

Elektrolyzér s pevným oxidom (SOE) využíva na elektrolýzu vysokoteplotnú vodnú paru (600 ~ 900 °C), ktorá je účinnejšia ako alkalický elektrolyzér a elektrolyzér PEM. V 60. rokoch 20. storočia začali USA a Nemecko vykonávať výskum vysokoteplotnej vodnej pary SOE. Princíp činnosti elektrolyzéra SOE je znázornený na obrázku 4. Recyklovaný vodík a vodná para vstupujú do reakčného systému z anódy. Vodná para sa na katóde elektrolyzuje na vodík. O2 produkovaný katódou sa presúva cez pevný elektrolyt k anóde, kde sa rekombinuje za vzniku kyslíka a uvoľňuje elektróny.

Na rozdiel od alkalických a protónových výmenných membránových elektrolytických článkov, SOE elektróda reaguje s kontaktom vodnej pary a čelí výzve maximalizácie plochy rozhrania medzi elektródou a kontaktom vodnej pary. Preto má SOE elektróda vo všeobecnosti poréznu štruktúru. Účelom elektrolýzy vodnej pary je znížiť energetickú náročnosť a znížiť prevádzkové náklady konvenčnej elektrolýzy kvapalnej vody. V skutočnosti, hoci celková energetická potreba reakcie rozkladu vody so zvyšujúcou sa teplotou mierne stúpa, potreba elektrickej energie výrazne klesá. So zvyšujúcou sa teplotou elektrolytu sa časť potrebnej energie dodáva ako teplo. SOE je schopný produkovať vodík v prítomnosti vysokoteplotného zdroja tepla. Keďže vysokoteplotné plynom chladené jadrové reaktory sa môžu zahriať na 950 °C, jadrová energia sa môže použiť ako zdroj energie pre SOE. Výskum zároveň ukazuje, že obnoviteľná energia, ako je geotermálna energia, má tiež potenciál ako zdroj tepla pri elektrolýze pary. Prevádzka pri vysokej teplote môže znížiť napätie batérie a zvýšiť rýchlosť reakcie, ale zároveň čelí výzve tepelnej stability materiálu a tesnenia. Okrem toho, plyn produkovaný katódou je zmes vodíka, ktorá sa musí ďalej separovať a čistiť, čo zvyšuje náklady v porovnaní s konvenčnou elektrolýzou kvapalnej vody. Použitie protónovo vodivej keramiky, ako je zirkoničitan strontnatý, znižuje náklady na SOE. Zirkonát strontnatý vykazuje vynikajúcu protónovú vodivosť pri asi 700 °C a vedie ku katóde na výrobu vysoko čistého vodíka, čo zjednodušuje zariadenie na elektrolýzu pary.

Yan a kol. [6] uviedli, že ako SOE nosnej konštrukcie bola použitá zirkónová keramická trubica stabilizovaná oxidom vápenatým, vonkajší povrch bol potiahnutý tenkým (menej ako 0,25 mm) poréznym lantánovým perovskitom ako anódou a stabilným cermetom oxidu vápenatého Ni/Y2O3 ako katódou. Pri 1000 °C, 0,4 A/cm2 a príkone 39,3 W je kapacita výroby vodíka jednotky 17,6 NL/h. Nevýhodou SOE je prepätie vyplývajúce z vysokých ohmových strát, ktoré sú bežné na prepojeniach medzi článkami, a vysoká koncentrácia prepätia v dôsledku obmedzení transportu difúzie pár. V posledných rokoch pritiahli veľkú pozornosť planárne elektrolytické články [7-8]. Na rozdiel od rúrkových článkov, ploché články robia výrobu kompaktnejšou a zlepšujú efektivitu výroby vodíka [6]. V súčasnosti je hlavnou prekážkou priemyselnej aplikácie SOE dlhodobá stabilita elektrolytického článku [8] a môžu byť spôsobené problémy so starnutím elektródy a jej deaktiváciou.