Framsteg och ekonomisk analys av väteproduktion genom elektrolys av fasta oxider

Framsteg och ekonomisk analys av väteproduktion genom elektrolys av fasta oxider

Solid oxide electrolyzer (SOE) använder högtemperaturvattenånga (600 ~ 900°C) för elektrolys, vilket är mer effektivt än alkaliska elektrolysörer och PEM-elektrolysörer. På 1960-talet började USA och Tyskland forska om högtemperaturvattenånga SOE. Arbetsprincipen för SOE-elektrolysören visas i figur 4. Återvunnet väte och vattenånga kommer in i reaktionssystemet från anoden. Vattenångan elektrolyseras till väte vid katoden. O2 som produceras av katoden rör sig genom den fasta elektrolyten till anoden, där den rekombinerar för att bilda syre och frigöra elektroner.

Till skillnad från alkaliska och protonutbytesmembranelektrolytiska celler, reagerar SOE-elektroden med vattenångkontakt och står inför utmaningen att maximera gränsytan mellan elektroden och vattenångkontakten. Därför har SOE-elektroden i allmänhet en porös struktur. Syftet med vattenångelektrolys är att minska energiintensiteten och minska driftskostnaden för konventionell flytande vattenelektrolys. Faktum är att även om det totala energibehovet för vattennedbrytningsreaktionen ökar något med ökande temperatur, minskar det elektriska energibehovet avsevärt. När den elektrolytiska temperaturen ökar tillförs en del av den energi som krävs som värme. SOE kan producera väte i närvaro av en värmekälla med hög temperatur. Eftersom gaskylda kärnreaktorer med hög temperatur kan värmas till 950°C, kan kärnenergi användas som energikälla för SOE. Samtidigt visar forskningen att den förnybara energin som geotermisk energi också har potential som värmekälla för ångelektrolys. Att arbeta vid hög temperatur kan minska batterispänningen och öka reaktionshastigheten, men det står också inför utmaningen med materialets termiska stabilitet och tätning. Dessutom är gasen som produceras av katoden en väteblandning, som behöver separeras och renas ytterligare, vilket ökar kostnaden jämfört med konventionell flytande vattenelektrolys. Användningen av protonledande keramik, såsom strontiumzirkonat, minskar kostnaden för SOE. Strontiumzirkonat visar utmärkt protonledningsförmåga vid cirka 700°C och bidrar till att katoden producerar högrent väte, vilket förenklar ångelektrolysanordningen.

Yan et al. [6] rapporterade att zirkoniumoxidkeramiskt rör stabiliserat med kalciumoxid användes som SOE med stödjande struktur, den yttre ytan var belagd med tunn (mindre än 0,25 mm) porös lantanperovskit som anod och Ni/Y2O3 stabil kalciumoxidkermet som katod. Vid 1000°C, 0,4A/cm2 och 39,3W ineffekt är enhetens vätgasproduktionskapacitet 17,6NL/h. Nackdelen med SOE är överspänningen till följd av höga ohmförluster som är vanliga vid sammankopplingarna mellan celler, och den höga överspänningskoncentrationen på grund av begränsningarna av ångdiffusionstransport. Under de senaste åren har plana elektrolytiska celler väckt stor uppmärksamhet [7-8]. I motsats till rörformiga celler gör platta celler tillverkningen mer kompakt och förbättrar väteproduktionseffektiviteten [6]. För närvarande är det främsta hindret för industriell tillämpning av SOE den långsiktiga stabiliteten hos elektrolytcellen [8], och problemen med elektrodåldring och deaktivering kan orsakas.