ความก้าวหน้าและการวิเคราะห์ทางเศรษฐศาสตร์ของการผลิตไฮโดรเจนโดยอิเล็กโทรลิซิสของของแข็งออกไซด์

ความก้าวหน้าและการวิเคราะห์ทางเศรษฐศาสตร์ของการผลิตไฮโดรเจนโดยอิเล็กโทรลิซิสของของแข็งออกไซด์

โซลิดออกไซด์อิเล็กโทรไลเซอร์ (SOE) ใช้ไอน้ำอุณหภูมิสูง (600 ~ 900°C) สำหรับอิเล็กโทรไลซิส ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าอัลคาไลน์อิเล็กโทรไลต์และ PEM อิเล็กโทรไลเซอร์ในปี 1960 สหรัฐอเมริกาและเยอรมนีเริ่มทำการวิจัย SOE ไอน้ำอุณหภูมิสูงหลักการทำงานของอิเล็กโทรไลเซอร์ SOE แสดงไว้ในรูปที่ 4ไฮโดรเจนและไอน้ำที่นำกลับมาใช้ใหม่เข้าสู่ระบบปฏิกิริยาจากขั้วบวก ไอน้ำถูกอิเล็กโทรไลซ์เป็นไฮโดรเจนที่แคโทด O2 ที่ผลิตโดยแคโทดจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งไปยังแอโนด ซึ่งรวมตัวกันใหม่เพื่อสร้างออกซิเจนและปล่อยอิเล็กตรอน

อิเล็กโทรด SOE ทำปฏิกิริยากับการสัมผัสไอน้ำ ซึ่งแตกต่างจากเซลล์อิเล็กโทรลีติคเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนและอัลคาไลน์แลกเปลี่ยนโปรตอน และเผชิญกับความท้าทายในการเพิ่มพื้นที่เชื่อมต่อระหว่างอิเล็กโทรดและการสัมผัสไอน้ำ ดังนั้น อิเล็กโทรด SOE โดยทั่วไปจึงมีโครงสร้างเป็นรูพรุนจุดประสงค์ของการอิเล็กโทรลิซิสด้วยไอน้ำคือเพื่อลดความเข้มของพลังงานและลดต้นทุนการดำเนินงานของอิเล็กโทรลิซิสในน้ำแบบของเหลวทั่วไปในความเป็นจริง แม้ว่าความต้องการพลังงานทั้งหมดของปฏิกิริยาการสลายตัวของน้ำจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น แต่ความต้องการพลังงานไฟฟ้าจะลดลงอย่างมากเมื่ออุณหภูมิของอิเล็กโทรไลต์เพิ่มขึ้น ส่วนหนึ่งของพลังงานที่ต้องการจะถูกจ่ายเป็นความร้อนSOE สามารถผลิตไฮโดรเจนได้เมื่อมีแหล่งความร้อนที่มีอุณหภูมิสูง เนื่องจากเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูที่ระบายความร้อนด้วยแก๊สอุณหภูมิสูงสามารถให้ความร้อนได้ถึง 950°C พลังงานนิวเคลียร์จึงสามารถใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับ SOEในขณะเดียวกัน การวิจัยแสดงให้เห็นว่าพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานความร้อนใต้พิภพยังมีศักยภาพในการเป็นแหล่งความร้อนของการแยกด้วยไฟฟ้าด้วยไอน้ำการทำงานที่อุณหภูมิสูงสามารถลดแรงดันแบตเตอรี่และเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา แต่ยังเผชิญกับความท้าทายด้านความเสถียรทางความร้อนของวัสดุและการซีลนอกจากนี้ ก๊าซที่ผลิตโดยแคโทดยังเป็นส่วนผสมของไฮโดรเจน ซึ่งจำเป็นต้องแยกและทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติม ซึ่งจะเป็นการเพิ่มต้นทุนเมื่อเทียบกับอิเล็กโทรไลซิสในน้ำแบบของเหลวทั่วไปการใช้เซรามิกที่นำโปรตอน เช่น สตรอนเชียม เซอร์โคเนต ช่วยลดต้นทุนของ SOEสตรอนเชียม เซอร์โคเนตแสดงการนำโปรตอนที่ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิประมาณ 700°C และเอื้อต่อแคโทดในการผลิตไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง ทำให้อุปกรณ์อิเล็กโทรลิซิสด้วยไอน้ำง่ายขึ้น

หยานและคณะ [6] รายงานว่าใช้ท่อเซรามิกเซอร์โคเนียที่เสถียรด้วยแคลเซียมออกไซด์เป็น SOE ของโครงสร้างรองรับ พื้นผิวด้านนอกเคลือบด้วยแลนทานัมเพอรอฟสไคต์ที่มีรูพรุนบาง (น้อยกว่า 0.25 มม.) เป็นแอโนด และเซอร์เมตแคลเซียมออกไซด์ที่เสถียร Ni/Y2O3 เป็นแคโทดที่กำลังไฟฟ้าเข้า 1,000°C, 0.4A/cm2 และ 39.3W กำลังการผลิตไฮโดรเจนของเครื่องคือ 17.6NL/ชม.ข้อเสียของ SOE คือแรงดันไฟเกินซึ่งเป็นผลมาจากการสูญเสียค่าโอห์มสูงซึ่งพบได้ทั่วไปที่จุดเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ และความเข้มข้นของแรงดันไฟเกินสูงเนื่องจากข้อจำกัดของการขนส่งแบบกระจายไอในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เซลล์อิเล็กโทรไลต์ระนาบได้รับความสนใจอย่างมาก [7-8]ตรงกันข้ามกับเซลล์ท่อ เซลล์แบนทำให้การผลิตมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้นและปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตไฮโดรเจน [6]ในปัจจุบัน อุปสรรคสำคัญต่อการประยุกต์ใช้ SOE ทางอุตสาหกรรมคือความเสถียรในระยะยาวของเซลล์อิเล็กโทรไลต์ [8] และอาจเกิดปัญหาการเสื่อมสภาพและการเสื่อมสภาพของอิเล็กโทรด