ความก้าวหน้าและการวิเคราะห์ทางเศรษฐศาสตร์ของการผลิตไฮโดรเจนโดยอิเล็กโทรไลซิสของของแข็งออกไซด์

ความก้าวหน้าและการวิเคราะห์ทางเศรษฐศาสตร์ของการผลิตไฮโดรเจนโดยอิเล็กโทรไลซิสของของแข็งออกไซด์

โซลิดออกไซด์อิเล็กโตรไลเซอร์ (SOE) ใช้ไอน้ำอุณหภูมิสูง (600 ~ 900°C) สำหรับอิเล็กโตรไลซิส ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าอิเล็กโตรไลเซอร์อัลคาไลน์และอิเล็กโทรไลต์ PEM ในทศวรรษที่ 1960 สหรัฐอเมริกาและเยอรมนีเริ่มดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับ SOE ไอน้ำอุณหภูมิสูง หลักการทำงานของอิเล็กโตรไลเซอร์ SOE แสดงไว้ในรูปที่ 4 ไฮโดรเจนและไอน้ำรีไซเคิลจะเข้าสู่ระบบปฏิกิริยาจากขั้วบวก ไอน้ำจะถูกอิเล็กโทรไลต์เป็นไฮโดรเจนที่แคโทด O2 ที่เกิดจากแคโทดจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งไปยังขั้วบวก ซึ่งจะรวมตัวกันอีกครั้งเพื่อสร้างออกซิเจนและปล่อยอิเล็กตรอนออกมา

ต่างจากเซลล์อิเล็กโทรไลต์แบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนอัลคาไลน์และโปรตอน อิเล็กโทรด SOE จะทำปฏิกิริยากับการสัมผัสกับไอน้ำ และเผชิญกับความท้าทายในการเพิ่มพื้นที่เชื่อมต่อระหว่างอิเล็กโทรดและการสัมผัสไอน้ำให้สูงสุด ดังนั้นอิเล็กโทรด SOE โดยทั่วไปจึงมีโครงสร้างเป็นรูพรุน วัตถุประสงค์ของการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าด้วยไอน้ำคือเพื่อลดความเข้มข้นของพลังงานและลดต้นทุนการดำเนินงานของการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าด้วยไฟฟ้าแบบธรรมดา แม้ว่าความต้องการพลังงานทั้งหมดของปฏิกิริยาการสลายตัวของน้ำจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น แต่ความต้องการพลังงานไฟฟ้าก็ลดลงอย่างมาก เมื่ออุณหภูมิอิเล็กโทรไลต์เพิ่มขึ้น พลังงานส่วนหนึ่งที่ต้องการจะถูกจ่ายเป็นความร้อน SOE สามารถผลิตไฮโดรเจนได้เมื่อมีแหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิสูง เนื่องจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ระบายความร้อนด้วยแก๊สอุณหภูมิสูงสามารถให้ความร้อนได้ถึง 950°C พลังงานนิวเคลียร์จึงสามารถใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับ SOE ได้ ในเวลาเดียวกัน การวิจัยแสดงให้เห็นว่าพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานความร้อนใต้พิภพ ก็มีศักยภาพในการเป็นแหล่งความร้อนของกระแสไฟฟ้าด้วยไอน้ำได้เช่นกัน การทำงานที่อุณหภูมิสูงสามารถลดแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่และเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา แต่ยังเผชิญกับความท้าทายในด้านเสถียรภาพทางความร้อนและการปิดผนึกของวัสดุด้วย นอกจากนี้ ก๊าซที่ผลิตโดยแคโทดยังเป็นส่วนผสมของไฮโดรเจน ซึ่งจำเป็นต้องแยกและทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติม ส่งผลให้ต้นทุนเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับอิเล็กโทรลิซิสน้ำของเหลวแบบธรรมดา การใช้เซรามิกที่นำโปรตอน เช่น สตรอนเซียมเซอร์โคเนต ช่วยลดต้นทุนของ SOE เซอร์โคเนตสตรอนเซียมแสดงการนำโปรตอนได้ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิประมาณ 700°C และเอื้อต่อแคโทดในการผลิตไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง ทำให้อุปกรณ์อิเล็กโทรลิซิสไอน้ำง่ายขึ้น

ยันและคณะ [6] รายงานว่าหลอดเซรามิกเซอร์โคเนียที่ทำให้เสถียรโดยแคลเซียมออกไซด์ถูกใช้เป็น SOE ของโครงสร้างรองรับ พื้นผิวด้านนอกถูกเคลือบด้วยแลนทานัมเปอร์รอฟสกี้ต์ที่มีรูพรุนบาง (น้อยกว่า 0.25 มม.) เป็นขั้วบวก และเซอร์เมตแคลเซียมออกไซด์ที่เสถียร Ni/Y2O3 เป็นแคโทด ที่อุณหภูมิ 1,000°C, 0.4A/cm2 และ 39.3W กำลังไฟฟ้าเข้า กำลังการผลิตไฮโดรเจนของหน่วยคือ 17.6NL/ชม. ข้อเสียของ SOE คือแรงดันไฟฟ้าเกินที่เกิดจากการสูญเสียโอห์มสูงซึ่งพบได้ทั่วไปที่การเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ และความเข้มข้นของแรงดันไฟฟ้าเกินสูง เนื่องจากข้อจำกัดของการขนส่งการแพร่กระจายของไอ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เซลล์อิเล็กโทรไลต์ในแนวระนาบได้รับความสนใจอย่างมาก [7-8] ตรงกันข้ามกับเซลล์แบบท่อ เซลล์แบบแบนทำให้การผลิตมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น และปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจน [6] ในปัจจุบัน อุปสรรคสำคัญต่อการประยุกต์ใช้ทางอุตสาหกรรมของ SOE คือความเสถียรในระยะยาวของเซลล์อิเล็กโทรไลต์ [8] และอาจทำให้เกิดปัญหาอายุและการปิดใช้งานของอิเล็กโทรดได้