Tiến trình và phân tích kinh tế sản xuất hydro bằng cách điện phân oxit rắn

Tiến trình và phân tích kinh tế sản xuất hydro bằng cách điện phân oxit rắn

Máy điện phân oxit rắn (SOE) sử dụng hơi nước ở nhiệt độ cao (600 ~ 900°C) để điện phân, hiệu quả hơn so với máy điện phân kiềm và máy điện phân PEM. Vào những năm 1960, Hoa Kỳ và Đức bắt đầu tiến hành nghiên cứu SOE hơi nước ở nhiệt độ cao. Nguyên lý hoạt động của máy điện phân SOE được thể hiện trên hình 4. Hydro và hơi nước tái chế đi vào hệ thống phản ứng từ cực dương. Hơi nước bị điện phân thành hydro ở cực âm. O2 do cực âm tạo ra di chuyển qua chất điện phân rắn đến cực dương, nơi nó tái kết hợp để tạo thành oxy và giải phóng các electron.

Không giống như tế bào điện phân màng trao đổi kiềm và proton, điện cực SOE phản ứng với sự tiếp xúc với hơi nước và phải đối mặt với thách thức tối đa hóa diện tích giao diện giữa điện cực và tiếp xúc với hơi nước. Vì vậy, điện cực SOE thường có cấu trúc xốp. Mục đích của điện phân bằng hơi nước là giảm cường độ năng lượng và giảm chi phí vận hành của điện phân nước lỏng thông thường. Trên thực tế, mặc dù tổng nhu cầu năng lượng của phản ứng phân hủy nước tăng nhẹ khi nhiệt độ tăng nhưng nhu cầu năng lượng điện lại giảm đáng kể. Khi nhiệt độ điện phân tăng lên, một phần năng lượng cần thiết sẽ được cung cấp dưới dạng nhiệt. SOE có khả năng sản xuất hydro khi có nguồn nhiệt độ cao. Vì các lò phản ứng hạt nhân làm mát bằng khí ở nhiệt độ cao có thể được làm nóng đến 950°C nên năng lượng hạt nhân có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng cho SOE. Đồng thời, nghiên cứu cho thấy các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng địa nhiệt cũng có tiềm năng làm nguồn nhiệt cho quá trình điện phân hơi nước. Hoạt động ở nhiệt độ cao có thể làm giảm điện áp pin và tăng tốc độ phản ứng, nhưng nó cũng phải đối mặt với thách thức về độ ổn định nhiệt và khả năng bịt kín của vật liệu. Ngoài ra, khí do cực âm tạo ra là hỗn hợp hydro cần được tách và tinh chế thêm, làm tăng giá thành so với phương pháp điện phân nước lỏng thông thường. Việc sử dụng gốm dẫn proton, chẳng hạn như strontium zirconate, giúp giảm giá thành của SOE. Strontium zirconate cho thấy độ dẫn proton tuyệt vời ở khoảng 700°C, và có lợi cho cực âm để tạo ra hydro có độ tinh khiết cao, đơn giản hóa thiết bị điện phân hơi nước.

Yan và cộng sự. [6] báo cáo rằng ống gốm zirconia được ổn định bằng canxi oxit được sử dụng làm SOE của cấu trúc hỗ trợ, bề mặt bên ngoài được phủ một lớp lanthanum perovskite xốp mỏng (dưới 0,25 mm) làm cực dương và gốm kim loại canxi oxit ổn định Ni/Y2O3 làm cực âm. Ở nhiệt độ 1000°C, công suất đầu vào 0,4A/cm2 và 39,3W, công suất sản xuất hydro của thiết bị là 17,6NL/h. Nhược điểm của SOE là quá điện áp do tổn hao ohm cao thường gặp ở các kết nối giữa các tế bào và nồng độ quá điện áp cao do những hạn chế của vận chuyển khuếch tán hơi. Trong những năm gần đây, tế bào điện phân phẳng đã thu hút được nhiều sự chú ý [7-8]. Ngược lại với tế bào hình ống, tế bào phẳng giúp sản xuất nhỏ gọn hơn và cải thiện hiệu quả sản xuất hydro [6]. Hiện tại, trở ngại chính đối với ứng dụng công nghiệp của SOE là độ ổn định lâu dài của tế bào điện phân [8] và có thể gây ra các vấn đề về lão hóa và ngừng hoạt động của điện cực.