Napredek in ekonomska analiza pridobivanja vodika z elektrolizo trdnih oksidov

Napredek in ekonomska analiza pridobivanja vodika z elektrolizo trdnih oksidov

Elektrolizator s trdnim oksidom (SOE) za elektrolizo uporablja visokotemperaturno vodno paro (600 ~ 900 °C), ki je učinkovitejša od alkalnega elektrolizerja in elektrolizatorja PEM. V šestdesetih letih 20. stoletja sta ZDA in Nemčija začeli izvajati raziskave visokotemperaturne vodne pare SOE. Načelo delovanja elektrolizatorja SOE je prikazano na sliki 4. Reciklirani vodik in vodna para vstopita v reakcijski sistem iz anode. Vodna para se na katodi elektrolizira v vodik. O2, ki ga proizvede katoda, se premika skozi trdni elektrolit do anode, kjer se rekombinira v kisik in sprosti elektrone.

V nasprotju z elektrolitskimi celicami z alkalno in protonsko izmenjevalno membrano elektroda SOE reagira ob stiku z vodno paro in se sooča z izzivom povečanja vmesne površine med elektrodo in stikom z vodno paro. Zato ima elektroda SOE na splošno porozno strukturo. Namen elektrolize vodne pare je zmanjšati energijsko intenzivnost in zmanjšati obratovalne stroške običajne elektrolize tekoče vode. Čeprav se skupna energetska potreba reakcije razgradnje vode nekoliko poveča z naraščajočo temperaturo, se potreba po električni energiji znatno zmanjša. Ko se elektrolitska temperatura poveča, se del potrebne energije dovaja kot toplota. SOE je sposoben proizvajati vodik v prisotnosti visokotemperaturnega vira toplote. Ker je mogoče visokotemperaturne jedrske reaktorje, hlajene s plinom, segreti na 950 °C, je jedrsko energijo mogoče uporabiti kot vir energije za SOE. Hkrati raziskava kaže, da ima obnovljiva energija, kot je geotermalna energija, tudi potencial kot vir toplote parne elektrolize. Delovanje pri visoki temperaturi lahko zmanjša napetost akumulatorja in poveča hitrost reakcije, vendar se sooča tudi z izzivom toplotne stabilnosti in tesnjenja materiala. Poleg tega je plin, ki ga proizvaja katoda, vodikova zmes, ki jo je treba dodatno ločiti in prečistiti, kar poveča stroške v primerjavi z običajno elektrolizo s tekočo vodo. Uporaba protonsko prevodne keramike, kot je stroncijev cirkonat, zmanjša stroške SOE. Stroncijev cirkonat kaže odlično protonsko prevodnost pri približno 700 °C in je primeren za katodo za proizvodnjo vodika visoke čistosti, kar poenostavi napravo za parno elektrolizo.

Yan et al. [6] je poročal, da je bila cirkonijeva keramična cev, stabilizirana s kalcijevim oksidom, uporabljena kot SOE podporne strukture, zunanja površina je bila prevlečena s tankim (manj kot 0,25 mm) poroznim lantanovim perovskitom kot anoda in Ni/Y2O3 stabilen kermet iz kalcijevega oksida kot katoda. Pri 1000 °C, 0,4 A/cm2 in vhodni moči 39,3 W je zmogljivost proizvodnje vodika 17,6 NL/h. Pomanjkljivost SOE je prenapetost, ki je posledica velikih ohmskih izgub, ki so pogoste pri povezavah med celicami, in visoka koncentracija prenapetosti zaradi omejitev prenosa parne difuzije. V zadnjih letih so planarne elektrolitske celice pritegnile veliko pozornosti [7-8]. V nasprotju s cevastimi celicami ploščate celice naredijo proizvodnjo bolj kompaktno in izboljšajo učinkovitost proizvodnje vodika [6]. Trenutno je glavna ovira za industrijsko uporabo SOE dolgoročna stabilnost elektrolitske celice [8], kar lahko povzroči težave s staranjem in deaktivacijo elektrod.