Pag-unlad at pagsusuri sa ekonomiya ng produksyon ng hydrogen sa pamamagitan ng electrolysis ng solid oxides

Pag-unlad at pagsusuri sa ekonomiya ng produksyon ng hydrogen sa pamamagitan ng electrolysis ng solid oxides

Gumagamit ang solid oxide electrolyzer (SOE) ng high-temperature water vapor (600 ~ 900°C) para sa electrolysis, na mas mahusay kaysa sa alkaline electrolyzer at PEM electrolyzer. Noong 1960s, nagsimulang magsagawa ng pananaliksik ang United States at Germany sa high-temperature water vapor SOE. Ang prinsipyo ng pagtatrabaho ng SOE electrolyzer ay ipinapakita sa Figure 4. Ang recycled hydrogen at water vapor ay pumapasok sa reaction system mula sa anode. Ang singaw ng tubig ay electrolyzed sa hydrogen sa katod. Ang O2 na ginawa ng cathode ay gumagalaw sa solid electrolyte patungo sa anode, kung saan ito ay muling pinagsama upang bumuo ng oxygen at maglabas ng mga electron.

Hindi tulad ng alkaline at proton exchange membrane electrolytic cells, ang SOE electrode ay tumutugon sa water vapor contact at nahaharap sa hamon ng pag-maximize ng interface area sa pagitan ng electrode at water vapor contact. Samakatuwid, ang SOE electrode sa pangkalahatan ay may buhaghag na istraktura. Ang layunin ng water vapor electrolysis ay upang bawasan ang intensity ng enerhiya at bawasan ang operating cost ng conventional liquid water electrolysis. Sa katunayan, kahit na ang kabuuang pangangailangan ng enerhiya ng reaksyon ng agnas ng tubig ay bahagyang tumataas sa pagtaas ng temperatura, ang pangangailangan ng elektrikal na enerhiya ay bumababa nang malaki. Habang tumataas ang temperatura ng electrolytic, bahagi ng kinakailangang enerhiya ay ibinibigay bilang init. Ang SOE ay may kakayahang gumawa ng hydrogen sa pagkakaroon ng mataas na temperatura na pinagmumulan ng init. Dahil ang mga high-temperature na gas-cooled na nuclear reactor ay maaaring painitin sa 950°C, ang enerhiyang nuklear ay maaaring gamitin bilang pinagkukunan ng enerhiya para sa SOE. Kasabay nito, ipinapakita ng pananaliksik na ang renewable energy tulad ng geothermal energy ay may potensyal din bilang heat source ng steam electrolysis. Ang pagpapatakbo sa mataas na temperatura ay maaaring mabawasan ang boltahe ng baterya at mapataas ang rate ng reaksyon, ngunit nahaharap din ito sa hamon ng materyal na thermal stability at sealing. Bilang karagdagan, ang gas na ginawa ng katod ay isang pinaghalong hydrogen, na kailangang higit pang paghiwalayin at dalisayin, pagtaas ng gastos kumpara sa maginoo na likidong tubig electrolysis. Ang paggamit ng proton-conducting ceramics, tulad ng strontium zirconate, ay nagpapababa sa gastos ng SOE. Ang Strontium zirconate ay nagpapakita ng mahusay na proton conductivity sa humigit-kumulang 700°C, at nakakatulong sa cathode upang makagawa ng mataas na kadalisayan ng hydrogen, na nagpapasimple sa steam electrolysis device.

Yan et al. Iniulat ng [6] na ang zirconia ceramic tube na pinatatag ng calcium oxide ay ginamit bilang SOE ng sumusuportang istraktura, ang panlabas na ibabaw ay pinahiran ng manipis (mas mababa sa 0.25mm) porous lanthanum perovskite bilang anode, at Ni/Y2O3 stable calcium oxide cermet bilang cathode. Sa 1000°C, 0.4A/cm2 at 39.3W input power, ang hydrogen production capacity ng unit ay 17.6NL/h. Ang kawalan ng SOE ay ang overvoltage na nagreresulta mula sa mataas na pagkalugi ng ohm na karaniwan sa mga interconnection sa pagitan ng mga cell, at ang mataas na overvoltage na konsentrasyon dahil sa mga limitasyon ng vapor diffusion transport. Sa mga nagdaang taon, ang mga planar electrolytic cells ay nakakuha ng maraming pansin [7-8]. Sa kaibahan sa mga tubular cell, ang mga flat cell ay ginagawang mas compact ang pagmamanupaktura at pinapabuti ang kahusayan sa produksyon ng hydrogen [6]. Sa kasalukuyan, ang pangunahing balakid sa pang-industriyang aplikasyon ng SOE ay ang pangmatagalang katatagan ng electrolytic cell [8], at ang mga problema ng pagtanda at pag-deactivate ng elektrod ay maaaring sanhi.