Vooruitgang en economische analyse van waterstofproductie door elektrolyse van vaste oxiden

Vooruitgang en economische analyse van waterstofproductie door elektrolyse van vaste oxiden

Solid Oxide Electrolyzer (SOE) gebruikt waterdamp op hoge temperatuur (600 ~ 900°C) voor elektrolyse, wat efficiënter is dan alkaline electrolyzer en PEM electrolyzer.In de jaren zestig begonnen de Verenigde Staten en Duitsland onderzoek te doen naar SOE met hoge temperatuur waterdamp.Het werkingsprincipe van SOE electrolyzer wordt weergegeven in figuur 4.Gerecycleerde waterstof en waterdamp komen het reactiesysteem binnen vanuit de anode. De waterdamp wordt aan de kathode geëlektrolyseerd tot waterstof. De O2 die door de kathode wordt geproduceerd, beweegt door de vaste elektrolyt naar de anode, waar het opnieuw wordt gecombineerd om zuurstof te vormen en elektronen vrij te geven.

In tegenstelling tot elektrolytische cellen met alkalische en protonenuitwisselingsmembraan, reageert de SOE-elektrode met waterdampcontact en staat hij voor de uitdaging om het grensvlak tussen de elektrode en het waterdampcontact te maximaliseren. Daarom heeft de SOE-elektrode over het algemeen een poreuze structuur.Het doel van waterdampelektrolyse is om de energie-intensiteit te verminderen en de bedrijfskosten van conventionele elektrolyse van vloeibaar water te verlagen.Hoewel de totale energiebehoefte van de waterontledingsreactie enigszins toeneemt bij toenemende temperatuur, neemt de elektrische energiebehoefte aanzienlijk af.Naarmate de elektrolytische temperatuur stijgt, wordt een deel van de benodigde energie als warmte geleverd.De SOE is in staat waterstof te produceren in aanwezigheid van een warmtebron met hoge temperatuur. Aangezien gasgekoelde kernreactoren op hoge temperatuur kunnen worden verwarmd tot 950°C, kan kernenergie worden gebruikt als energiebron voor de SOE.Tegelijkertijd laat het onderzoek zien dat de hernieuwbare energie zoals geothermie ook het potentieel heeft als warmtebron van stoomelektrolyse.Werken bij hoge temperaturen kan de batterijspanning verlagen en de reactiesnelheid verhogen, maar het staat ook voor de uitdaging van de thermische stabiliteit en afdichting van het materiaal.Bovendien is het gas dat door de kathode wordt geproduceerd een waterstofmengsel, dat verder moet worden gescheiden en gezuiverd, wat de kosten verhoogt in vergelijking met conventionele elektrolyse met vloeibaar water.Het gebruik van protongeleidende keramiek, zoals strontiumzirconaat, verlaagt de kosten van SOE.Strontiumzirkonaat vertoont een uitstekende protongeleidbaarheid bij ongeveer 700°C en is bevorderlijk voor de kathode om zeer zuivere waterstof te produceren, waardoor het apparaat voor stoomelektrolyse wordt vereenvoudigd.

Yan et al. [6] rapporteerde dat zirkonia keramische buis gestabiliseerd door calciumoxide werd gebruikt als SOE van ondersteunende structuur, het buitenoppervlak was gecoat met dun (minder dan 0,25 mm) poreus lanthaan perovskiet als anode en Ni / Y2O3 stabiel calciumoxide cermet als kathode.Bij 1000°C, 0,4A/cm2 en 39,3W ingangsvermogen is de waterstofproductiecapaciteit van de unit 17,6NL/h.Het nadeel van SOE is de overspanning als gevolg van hoge ohmse verliezen die gebruikelijk zijn bij de onderlinge verbindingen tussen cellen, en de hoge overspanningsconcentratie als gevolg van de beperkingen van dampdiffusietransport.De afgelopen jaren hebben vlakke elektrolytische cellen veel aandacht getrokken [7-8].In tegenstelling tot buisvormige cellen maken platte cellen de productie compacter en verbeteren ze de efficiëntie van de waterstofproductie [6].Op dit moment is het belangrijkste obstakel voor de industriële toepassing van SOE de stabiliteit op lange termijn van de elektrolytische cel [8], en de problemen van elektrodeveroudering en deactivering kunnen worden veroorzaakt.