Πρόοδος και οικονομική ανάλυση παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση στερεών οξειδίων

Πρόοδος και οικονομική ανάλυση παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση στερεών οξειδίων

Ο ηλεκτρολύτης στερεού οξειδίου (SOE) χρησιμοποιεί υδρατμούς υψηλής θερμοκρασίας (600 ~ 900°C) για ηλεκτρόλυση, ο οποίος είναι πιο αποτελεσματικός από τον αλκαλικό ηλεκτρόλυση και τον ηλεκτρολύτη PEM.Στη δεκαετία του 1960, οι Ηνωμένες Πολιτείες και η Γερμανία άρχισαν να διεξάγουν έρευνα για SOE υδρατμών υψηλής θερμοκρασίας.Η αρχή λειτουργίας του ηλεκτρολύτη SOE φαίνεται στο Σχήμα 4.Ανακυκλωμένο υδρογόνο και υδρατμοί εισέρχονται στο σύστημα αντίδρασης από την άνοδο. Οι υδρατμοί ηλεκτρολύονται σε υδρογόνο στην κάθοδο. Το Ο2 που παράγεται από την κάθοδο μετακινείται μέσω του στερεού ηλεκτρολύτη στην άνοδο, όπου ανασυνδυάζεται για να σχηματίσει οξυγόνο και να απελευθερώσει ηλεκτρόνια.

Σε αντίθεση με τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα αλκαλικής και μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, το ηλεκτρόδιο SOE αντιδρά με την επαφή υδρατμών και αντιμετωπίζει την πρόκληση της μεγιστοποίησης της περιοχής διεπαφής μεταξύ του ηλεκτροδίου και της επαφής υδρατμών. Επομένως, το ηλεκτρόδιο SOE έχει γενικά μια πορώδη δομή.Ο σκοπός της ηλεκτρόλυσης υδρατμών είναι η μείωση της ενεργειακής έντασης και η μείωση του λειτουργικού κόστους της συμβατικής ηλεκτρόλυσης υγρού νερού.Στην πραγματικότητα, αν και η συνολική ενεργειακή απαίτηση της αντίδρασης αποσύνθεσης του νερού αυξάνεται ελαφρώς με την αύξηση της θερμοκρασίας, η απαίτηση ηλεκτρικής ενέργειας μειώνεται σημαντικά.Καθώς η ηλεκτρολυτική θερμοκρασία αυξάνεται, μέρος της απαιτούμενης ενέργειας παρέχεται ως θερμότητα.Η SOE είναι ικανή να παράγει υδρογόνο παρουσία πηγής θερμότητας υψηλής θερμοκρασίας. Δεδομένου ότι οι πυρηνικοί αντιδραστήρες υψηλής θερμοκρασίας αερόψυκτοι μπορούν να θερμανθούν στους 950°C, η πυρηνική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ενέργειας για την SOE.Ταυτόχρονα, η έρευνα δείχνει ότι η ανανεώσιμη ενέργεια όπως η γεωθερμική ενέργεια έχει επίσης τη δυνατότητα ως πηγή θερμότητας ηλεκτρόλυσης ατμού.Η λειτουργία σε υψηλή θερμοκρασία μπορεί να μειώσει την τάση της μπαταρίας και να αυξήσει τον ρυθμό αντίδρασης, αλλά αντιμετωπίζει επίσης την πρόκληση της θερμικής σταθερότητας και της σφράγισης του υλικού.Επιπλέον, το αέριο που παράγεται από την κάθοδο είναι ένα μείγμα υδρογόνου, το οποίο χρειάζεται περαιτέρω διαχωρισμό και καθαρισμό, αυξάνοντας το κόστος σε σύγκριση με τη συμβατική ηλεκτρόλυση υγρού νερού.Η χρήση κεραμικών αγωγών πρωτονίων, όπως το ζιρκονικό στρόντιο, μειώνει το κόστος της SOE.Το ζιρκονικό στρόντιο παρουσιάζει εξαιρετική αγωγιμότητα πρωτονίων στους περίπου 700°C και ευνοεί την κάθοδο να παράγει υδρογόνο υψηλής καθαρότητας, απλοποιώντας τη συσκευή ηλεκτρόλυσης ατμού.

Οι Yan et al. [6] ανέφερε ότι ο κεραμικός σωλήνας ζιρκονίας σταθεροποιημένος από οξείδιο του ασβεστίου χρησιμοποιήθηκε ως SOE της δομής στήριξης, η εξωτερική επιφάνεια ήταν επικαλυμμένη με λεπτό (λιγότερο από 0,25 mm) πορώδες περοβσκίτη λανθανίου ως άνοδο και σταθερό κεραμομεταλλικό οξείδιο του ασβεστίου Ni/Y2O3 ως κάθοδος.Στους 1000°C, 0,4A/cm2 και ισχύ εισόδου 39,3W, η ικανότητα παραγωγής υδρογόνου της μονάδας είναι 17,6NL/h.Το μειονέκτημα του SOE είναι η υπέρταση που προκύπτει από υψηλές απώλειες ωμ που είναι κοινές στις διασυνδέσεις μεταξύ κυψελών και η υψηλή συγκέντρωση υπέρτασης λόγω των περιορισμών της μεταφοράς διάχυσης ατμών.Τα τελευταία χρόνια, τα επίπεδα ηλεκτρολυτικά κύτταρα έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή [7-8].Σε αντίθεση με τα σωληνοειδή κύτταρα, τα επίπεδα κύτταρα κάνουν την κατασκευή πιο συμπαγή και βελτιώνουν την απόδοση παραγωγής υδρογόνου [6].Προς το παρόν, το κύριο εμπόδιο στη βιομηχανική εφαρμογή του SOE είναι η μακροπρόθεσμη σταθερότητα του ηλεκτρολυτικού στοιχείου [8] και μπορεί να προκληθούν προβλήματα γήρανσης και απενεργοποίησης ηλεκτροδίων.