Розвиток та економічний аналіз виробництва водню електролізом твердих оксидів

Розвиток та економічний аналіз виробництва водню електролізом твердих оксидів

Твердооксидний електролізер (SOE) використовує високотемпературну водяну пару (600 ~ 900 °C) для електролізу, який є більш ефективним, ніж лужний електролізер і електролізер PEM. У 1960-х роках США та Німеччина почали проводити дослідження високотемпературної водяної пари SOE. Принцип роботи електролізера SOE показано на малюнку 4. Перероблений водень і водяна пара надходять у реакційну систему з анода. Водяна пара електролізується в водень на катоді. О2, що утворюється катодом, переміщується через твердий електроліт до анода, де рекомбінується з утворенням кисню та вивільненням електронів.

На відміну від електролітичних елементів із лужною та протонообмінною мембранами, електрод SOE реагує на контакт з водяною парою та стикається з проблемою максимізації площі розділу між електродом і контактом з водяною парою. Тому електрод СОЕ, як правило, має пористу структуру. Метою електролізу водяної пари є зниження енергоємності та зниження експлуатаційних витрат звичайного електролізу рідкої води. Насправді, хоча загальна потреба в енергії реакції розкладання води дещо зростає з підвищенням температури, потреба в електроенергії значно зменшується. Коли температура електроліту підвищується, частина необхідної енергії подається у вигляді тепла. SOE здатний виробляти водень у присутності високотемпературного джерела тепла. Оскільки високотемпературні газоохолоджувані ядерні реактори можна нагріти до 950°C, ядерна енергія може бути використана як джерело енергії для ГП. У той же час дослідження показують, що відновлювана енергія, така як геотермальна енергія, також має потенціал як джерело тепла для парового електролізу. Робота при високій температурі може знизити напругу батареї та збільшити швидкість реакції, але вона також стикається з проблемою термічної стабільності матеріалу та герметичності. Крім того, газ, що утворюється катодом, є водневою сумішшю, яку необхідно додатково розділити та очистити, що збільшує вартість порівняно зі звичайним електролізом рідкої води. Здешевлює СОЕ використання протонпровідної кераміки, наприклад цирконат стронцію. Цирконат стронцію демонструє чудову протонну провідність приблизно при 700°C і сприяє виробленню катодом високочистого водню, що спрощує пристрій парового електролізу.

Ян та ін. [6] повідомили, що цирконієву керамічну трубку, стабілізовану оксидом кальцію, використовували як SOE опорної структури, зовнішню поверхню вкривали тонким (менше 0,25 мм) пористим перовскітом лантану як анодом, а металокерамікою з оксиду кальцію, стабільною Ni/Y2O3, як катодом. При 1000°C, 0,4 А/см2 і споживаній потужності 39,3 Вт потужність виробництва водню становить 17,6 НЛ/год. Недоліком SOE є перенапруга, що є результатом високих втрат на Ом, які є звичайними у з’єднаннях між осередками, і висока концентрація перенапруги через обмеження дифузійного транспортування пари. В останні роки значну увагу привернули планарні електролізери [7-8]. На відміну від трубчастих комірок, плоскі комірки роблять виробництво більш компактним і підвищують ефективність виробництва водню [6]. В даний час основною перешкодою для промислового застосування СОЕ є довготривала стабільність електролізера [8], а також можуть бути викликані проблеми старіння та дезактивації електродів.