Katı oksitlerin elektrolizi yoluyla hidrojen üretiminin ilerlemesi ve ekonomik analizi

Katı oksitlerin elektrolizi yoluyla hidrojen üretiminin ilerlemesi ve ekonomik analizi

Katı oksit elektrolizörü (SOE), elektroliz için alkalin elektrolizör ve PEM elektrolizörden daha verimli olan yüksek sıcaklıktaki su buharını (600 ~ 900°C) kullanır. 1960'lı yıllarda Amerika Birleşik Devletleri ve Almanya, yüksek sıcaklıktaki su buharı KİT'si üzerine araştırmalar yapmaya başladı. SOE elektrolizörünün çalışma prensibi Şekil 4'te gösterilmektedir. Geri dönüştürülmüş hidrojen ve su buharı, reaksiyon sistemine anottan girer. Su buharı katotta elektrolize edilerek hidrojene dönüştürülür. Katot tarafından üretilen O2, katı elektrolit içinden anoda doğru hareket eder, burada oksijen oluşturacak ve elektronları serbest bırakacak şekilde yeniden birleşir.

Alkali ve proton değişim membranlı elektrolitik hücrelerin aksine, SOE elektrotu su buharı temasıyla reaksiyona girer ve elektrot ile su buharı teması arasındaki arayüz alanını maksimuma çıkarma zorluğuyla karşı karşıya kalır. Bu nedenle SOE elektrotu genellikle gözenekli bir yapıya sahiptir. Su buharı elektrolizinin amacı, geleneksel sıvı su elektrolizinin enerji yoğunluğunu azaltmak ve işletme maliyetini azaltmaktır. Aslında suyun ayrışma reaksiyonunun toplam enerji ihtiyacı sıcaklığın artmasıyla bir miktar artmasına rağmen, elektrik enerjisi ihtiyacı önemli ölçüde azalmaktadır. Elektrolitik sıcaklık arttıkça gerekli enerjinin bir kısmı ısı olarak sağlanır. SOE, yüksek sıcaklıktaki bir ısı kaynağının varlığında hidrojen üretme kapasitesine sahiptir. Yüksek sıcaklıkta gaz soğutmalı nükleer reaktörler 950°C'ye kadar ısıtılabildiğinden nükleer enerji KİT'ler için enerji kaynağı olarak kullanılabilir. Araştırma aynı zamanda jeotermal enerji gibi yenilenebilir enerjinin de buhar elektrolizinin ısı kaynağı olma potansiyeline sahip olduğunu gösteriyor. Yüksek sıcaklıkta çalıştırmak, akü voltajını düşürebilir ve reaksiyon hızını artırabilir, ancak aynı zamanda malzemenin termal stabilitesi ve sızdırmazlık sorunuyla da karşı karşıya kalır. Ek olarak katot tarafından üretilen gaz, daha fazla ayrıştırılması ve saflaştırılması gereken bir hidrojen karışımıdır ve geleneksel sıvı su elektroliziyle karşılaştırıldığında maliyeti artırır. Stronsiyum zirkonat gibi proton ileten seramiklerin kullanılması KİT'in maliyetini azaltır. Stronsiyum zirkonat, yaklaşık 700°C'de mükemmel proton iletkenliği gösterir ve katodun yüksek saflıkta hidrojen üretmesine yardımcı olur ve buhar elektroliz cihazını basitleştirir.

Yan ve ark. [6], destekleyici yapının SOE'si olarak kalsiyum oksit ile stabilize edilmiş zirkonya seramik tüpün kullanıldığını, dış yüzeyin anot olarak ince (0,25 mm'den az) gözenekli lantan perovskit ve katot olarak Ni/Y2O3 stabil kalsiyum oksit sermet ile kaplandığını bildirdi. 1000°C, 0,4A/cm2 ve 39,3W giriş gücünde ünitenin hidrojen üretim kapasitesi 17,6NL/saattir. SOE'nin dezavantajı, hücreler arasındaki bağlantılarda yaygın olan yüksek ohm kayıplarından kaynaklanan aşırı gerilim ve buhar difüzyon aktarımının sınırlamalarından dolayı yüksek aşırı gerilim konsantrasyonudur. Son yıllarda düzlemsel elektrolitik hücreler büyük ilgi görmüştür [7-8]. Boru şeklindeki hücrelerin aksine, düz hücreler üretimi daha kompakt hale getirir ve hidrojen üretim verimliliğini artırır [6]. Şu anda, KİT'nin endüstriyel uygulamasının önündeki ana engel, elektrolitik hücrenin [8] uzun vadeli stabilitesidir ve elektrotun yaşlanması ve devre dışı kalması sorunlarına neden olabilir.