Katı oksitlerin elektrolizi ile hidrojen üretiminin ilerlemesi ve ekonomik analizi

Katı oksitlerin elektrolizi ile hidrojen üretiminin ilerlemesi ve ekonomik analizi

Katı oksit elektrolizör (SOE), elektroliz için alkalin elektrolizör ve PEM elektrolizörden daha verimli olan yüksek sıcaklıkta su buharı (600 ~ 900°C) kullanır.1960'larda Amerika Birleşik Devletleri ve Almanya, yüksek sıcaklıktaki su buharı KİT'leri üzerine araştırmalar yapmaya başladılar.SOE elektrolizörünün çalışma prensibi Şekil 4'te gösterilmiştir.Geri dönüştürülen hidrojen ve su buharı anottan reaksiyon sistemine girer. Su buharı katotta elektrolize edilerek hidrojene dönüşür. Katot tarafından üretilen O2, katı elektrolit içinden anoda geçer ve burada oksijen oluşturmak ve elektronları serbest bırakmak için yeniden birleşir.

Alkalin ve proton değişim membranlı elektrolitik hücrelerin aksine, SOE elektrodu su buharı temasıyla reaksiyona girer ve elektrot ile su buharı teması arasındaki arayüz alanını maksimize etme zorluğuyla karşı karşıyadır. Bu nedenle, SOE elektrodu genellikle gözenekli bir yapıya sahiptir.Su buharı elektrolizinin amacı, enerji yoğunluğunu azaltmak ve geleneksel sıvı su elektrolizinin işletme maliyetini azaltmaktır.Aslında, su ayrışma reaksiyonunun toplam enerji ihtiyacı artan sıcaklıkla bir miktar artsa da, elektrik enerjisi ihtiyacı önemli ölçüde azalır.Elektrolitik sıcaklık arttıkça, gereken enerjinin bir kısmı ısı olarak sağlanır.KİT, yüksek sıcaklıkta bir ısı kaynağının varlığında hidrojen üretebilir. Yüksek sıcaklıkta gaz soğutmalı nükleer reaktörler 950°C'ye kadar ısıtılabildiğinden, nükleer enerji KİT için bir enerji kaynağı olarak kullanılabilir.Araştırma aynı zamanda jeotermal enerji gibi yenilenebilir enerjinin de buhar elektrolizinin ısı kaynağı olma potansiyeline sahip olduğunu gösteriyor.Yüksek sıcaklıkta çalıştırma, pil voltajını azaltabilir ve reaksiyon hızını artırabilir, ancak aynı zamanda malzeme termal kararlılığı ve sızdırmazlık sorunuyla karşı karşıyadır.Ek olarak, katot tarafından üretilen gaz, daha fazla ayrılması ve saflaştırılması gereken bir hidrojen karışımıdır, bu da geleneksel sıvı su elektrolizine kıyasla maliyeti arttırır.Stronsiyum zirkonat gibi proton ileten seramiklerin kullanılması KİT'nin maliyetini düşürür.Stronsiyum zirkonat, yaklaşık 700°C'de mükemmel proton iletkenliği gösterir ve buhar elektroliz cihazını basitleştirerek yüksek saflıkta hidrojen üretmek için katoda elverişlidir.

Yan ve ark. [6], destekleyici yapının SOE'si olarak kalsiyum oksit ile stabilize edilmiş zirkonya seramik tüpün kullanıldığını, dış yüzeyin anot olarak ince (0.25 mm'den daha az) gözenekli lantan perovskit ve katot olarak Ni/Y2O3 kararlı kalsiyum oksit sermet ile kaplandığını bildirdi.1000°C, 0,4A/cm2 ve 39,3W giriş gücünde, ünitenin hidrojen üretim kapasitesi 17,6NL/h'dir.SOE'nin dezavantajı, hücreler arasındaki ara bağlantılarda yaygın olan yüksek ohm kayıplarından kaynaklanan aşırı gerilim ve buhar difüzyon iletiminin sınırlamalarından kaynaklanan yüksek aşırı gerilim konsantrasyonudur.Son yıllarda, düzlemsel elektrolitik hücreler çok ilgi çekmiştir [7-8].Boru şeklindeki hücrelerin aksine, düz hücreler üretimi daha kompakt hale getirir ve hidrojen üretim verimliliğini artırır [6].Şu anda, KİT'nin endüstriyel uygulamasının önündeki ana engel, elektrolitik hücrenin [8] uzun vadeli kararlılığıdır ve elektrot eskimesi ve devre dışı bırakma sorunlarına neden olabilir.