Производство на водород от вода чрез електролиза на твърд оксид

Производство на водород от вода чрез електролиза на твърд оксид

Клетката за електролиза на твърд оксид (SOEC) е технология за електролиза на вода с висока температура, която използва YSZ и други материали като електролити за производство на водород чрез анодни и катодни реакции. Той има предимствата на ниска консумация на енергия и висока ефективност и е подходящ за оползотворяване на отпадна топлина, но е изправен пред предизвикателства с висока цена и стабилност.

Електролизата на вода с твърд оксид за получаване на водород е технология за електролиза на вода с висока температура. От техническия принцип SOEC може да бъде разделен на SOEC с кислородни йони и SOEC с протонна проводимост.

(Принцип на работа на SOEC за провеждане на кислородни йони)

(Принцип на работа на протоннопроводим SOEC)

Провеждащият кислородни йони SOEC използва твърд оксид като електролит и следните химични реакции протичат съответно на анода и катода:
Анод: 2O²ˉ=O2+ 4e-
Катод: 2H2O+4e-=2H2+2O²ˉ

Основните компоненти на SOEC включват плътен електролит и порест електрод, където електролитът обикновено е стабилизиран с итрий циркониев (YSZ) материал. При високи температури от 600 до 1000°C YSZ има отлична йонна проводимост и термохимична стабилност, което го прави предпочитан електролитен материал за SOEC.

В допълнение към YSZ, някои други материали също се използват широко в електролитите SOEC. Например стабилизиран от скандия цирконий (ScSZ) и електролити на базата на цериев оксид, тези материали също показват добра производителност при определени условия. В допълнение, електролитите на базата на лантанов галат постепенно привличат вниманието и приложението на тези материали осигурява разнообразие от избори за електролити SOEC.

По отношение на електродните материали, водородните електроди обикновено използват Ni-YSZ металокерамични композити, които не само имат добра проводимост, но също така осигуряват достатъчна каталитична активност за насърчаване на генерирането на водород. Кислородните електроди използват най-вече композити от легиран стронций лантанов галат (LSM) и YSZ, които могат ефективно да катализират генерирането на кислород и да поддържат стабилност при високи температури.

Структурата на SOEC е разделена главно на два типа: тръбна и плоска. Тръбният SOEC е най-ранният тип, който ще бъде изследван. Основното му предимство е, че не изисква допълнителни уплътнителни материали и методът на свързване е сравнително прост. Въпреки това, тръбният SOEC има и недостатъци като висока цена и ниска плътност на мощността. За разлика от това, плоският SOEC има предимствата на висока плътност на мощността и ниска цена, така че се превърна в гореща точка в настоящите изследвания. Плоският SOEC обаче има големи предизвикателства при уплътняването и е необходимо да се преодолее стабилността на уплътнителните материали при условия на висока температура.

Работната температура на SOEC обикновено е от 600 до 1000 ℃, а енталпията на високотемпературната водна пара е висока, така че напрежението на електролизата на SOEC може да бъде толкова ниско, колкото 1,3 V, докато напрежението на електролизата на алкалната електролиза или протона електролизата на обменната мембрана (PEM) обикновено е над 1,8 V. Следователно SOEC има очевидни предимства в консумацията на енергия. При условие на минимална консумация на енергия, 3kWh електроенергия може да произведе 1 стандартен кубичен метър водород. Въпреки това, SOEC изисква допълнителна консумация на енергия за производството на високотемпературна водна пара, което има уникални предимства в някои специални сценарии на приложение, като например производството на водород в ядрената енергия.

Въпреки че SOEC има очевидни предимства в консумацията на енергия и ефективността, неговата висока работна температура носи и някои предизвикателства и проблеми. Първият е въпросът за разходите. Цената на високотемпературните материали и производствените процеси е висока. Второто е дългото време за стартиране и изключване. Тъй като SOEC трябва да достигне висока температура, за да работи, процесът на стартиране и изключване е относително бавен. В допълнение, животът на цикъла също е ключов проблем, който трябва да бъде разрешен. При условия на работа при високи температури, стабилността и издръжливостта на материала са изправени пред предизвикателства.

Понастоящем технологията за производство на водород чрез електролиза на вода с твърд оксид все още е в етап на демонстрация и проверка и все още не е реализирана в широкомащабни търговски приложения. Въпреки многото предизвикателства, технологията SOEC показа голям потенциал в определени области. Например, при оползотворяването на отпадъчна топлина от атомни електроцентрали и оползотворяване на високотемпературна промишлена отпадна топлина, SOEC технологията може ефективно да преобразува тези високотемпературни източници на топлина във водород, като по този начин се постига ефективно оползотворяване и преобразуване на енергията.

В бъдеще, с непрекъснатия прогрес на науката за материалите и производствените процеси, се очаква SOEC технологията да преодолее настоящите технически затруднения и да постигне по-висока ефективност и по-ниски разходи. По-нататъшните изследвания и разработки ще се фокусират върху подобряването на производителността на електролитните и електродните материали, удължаването на експлоатационния живот на оборудването и оптимизирането на цялостния дизайн и работните параметри на системата. Чрез многостранни подобрения и иновации се очаква SOEC технологията да заеме важна позиция в бъдещата водородна икономика и да се превърне във важно средство за използване на възобновяема енергия и производство на водород.