Прогресс и экономический анализ производства водорода электролизом твердых оксидов

Прогресс и экономический анализ производства водорода электролизом твердых оксидов

Твердооксидный электролизер (SOE) использует для электролиза водяной пар высокой температуры (600 ~ 900°C), что более эффективно, чем щелочной электролизер и электролизер PEM.В 1960-х годах США и Германия начали проводить исследования высокотемпературного СОЭ водяного пара.Принцип работы электролизера SOE показан на рисунке 4.Рециркулирующий водород и водяной пар поступают в реакционную систему с анода. Водяной пар электролизуется в водород на катоде. О2, произведенный катодом, проходит через твердый электролит к аноду, где он рекомбинирует с образованием кислорода и высвобождением электронов.

В отличие от электролитических элементов с щелочной и протонообменной мембраной, электрод SOE реагирует с контактом с водяным паром и сталкивается с проблемой максимального увеличения площади интерфейса между электродом и контактом с водяным паром. Поэтому электрод СОЭ обычно имеет пористую структуру.Целью электролиза водяного пара является снижение энергоемкости и снижение эксплуатационных расходов при обычном электролизе жидкой воды.На самом деле, хотя общая потребность в энергии реакции разложения воды немного увеличивается с повышением температуры, потребность в электроэнергии значительно снижается.По мере повышения температуры электролита часть необходимой энергии поступает в виде тепла.SOE способен производить водород в присутствии высокотемпературного источника тепла. Поскольку высокотемпературные газоохлаждаемые ядерные реакторы могут быть нагреты до 950°С, ядерная энергия может быть использована в качестве источника энергии для ГП.В то же время исследования показывают, что возобновляемые источники энергии, такие как геотермальная энергия, также имеют потенциал в качестве источника тепла для парового электролиза.Работа при высокой температуре может снизить напряжение батареи и увеличить скорость реакции, но при этом возникает проблема термостойкости материала и герметизации.Кроме того, газ, производимый катодом, представляет собой смесь водорода, которую необходимо дополнительно разделить и очистить, что увеличивает стоимость по сравнению с обычным электролизом жидкой воды.Использование протонпроводящей керамики, такой как цирконат стронция, снижает стоимость СОЭ.Цирконат стронция демонстрирует превосходную протонную проводимость при температуре около 700°C и позволяет катоду производить водород высокой чистоты, упрощая устройство парового электролиза.

Ян и др. В работе [6] сообщается, что керамическая трубка из диоксида циркония, стабилизированная оксидом кальция, использовалась в качестве СОЭ несущей конструкции, внешняя поверхность которой была покрыта тонким (менее 0,25 мм) пористым перовскитом лантана в качестве анода и керметом из стабильного оксида кальция Ni/Y2O3 в качестве катода.При 1000 °C, 0,4 А/см2 и входной мощности 39,3 Вт производительность установки по водороду составляет 17,6 нл/ч.Недостатком SOE является перенапряжение, возникающее из-за высоких потерь в омах, характерных для соединений между ячейками, и высокая концентрация перенапряжения из-за ограничений диффузионного переноса паров.В последние годы большое внимание привлекают планарные электролизеры [7-8].В отличие от трубчатых элементов, плоские элементы делают производство более компактным и повышают эффективность производства водорода [6].В настоящее время основным препятствием для промышленного применения СОЭ является долговременная стабильность электролитической ячейки [8], и могут быть вызваны проблемы старения и дезактивации электродов.