التقدم والتحليل الاقتصادي لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للأكاسيد الصلبة

التقدم والتحليل الاقتصادي لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للأكاسيد الصلبة

يستخدم المحلل الكهربائي للأكسيد الصلب (SOE) بخار الماء بدرجة حرارة عالية (600 ~ 900 درجة مئوية) للتحليل الكهربائي ، وهو أكثر كفاءة من المحلل الكهربائي القلوي والمحلل الكهربائي PEM.في الستينيات من القرن الماضي ، بدأت الولايات المتحدة وألمانيا في إجراء بحث على بخار الماء ذو ​​درجة الحرارة العالية SOE.يظهر مبدأ عمل المحلل الكهربائي المملوك للكهرباء في الشكل 4.يدخل الهيدروجين المعاد تدويره وبخار الماء إلى نظام التفاعل من الأنود. يتحلل بخار الماء إلى هيدروجين عند الكاثود. ينتقل O2 الناتج عن الكاثود عبر الإلكتروليت الصلب إلى القطب الموجب ، حيث يتحد مرة أخرى لتكوين الأكسجين وإطلاق الإلكترونات.

على عكس الخلايا الإلكتروليتية لغشاء التبادل القلوي والبروتون ، يتفاعل القطب الكهربي SOE مع تلامس بخار الماء ويواجه تحدي تعظيم منطقة الواجهة بين القطب الكهربائي وملامسة بخار الماء. لذلك ، فإن قطب SOE له هيكل مسامي بشكل عام.الغرض من التحليل الكهربائي لبخار الماء هو تقليل كثافة الطاقة وتقليل تكلفة التشغيل للتحليل الكهربائي للماء السائل التقليدي.في الواقع ، على الرغم من أن إجمالي متطلبات الطاقة لتفاعل تحلل الماء يزداد قليلاً مع زيادة درجة الحرارة ، فإن متطلبات الطاقة الكهربائية تنخفض بشكل كبير.مع زيادة درجة حرارة التحليل الكهربائي ، يتم توفير جزء من الطاقة المطلوبة كحرارة.إن المفاعلات المملوكة للدولة قادرة على إنتاج الهيدروجين في وجود مصدر حرارة عالي الحرارة. نظرًا لأنه يمكن تسخين المفاعلات النووية عالية الحرارة المبردة بالغاز إلى 950 درجة مئوية ، يمكن استخدام الطاقة النووية كمصدر للطاقة في الشركات المملوكة للدولة.في الوقت نفسه ، يُظهر البحث أن الطاقة المتجددة مثل الطاقة الحرارية الأرضية لديها أيضًا إمكانية كمصدر حرارة للتحليل الكهربائي بالبخار.يمكن أن يؤدي التشغيل في درجة حرارة عالية إلى تقليل جهد البطارية وزيادة معدل التفاعل ، ولكنه يواجه أيضًا تحدي الاستقرار الحراري للمواد وختمها.بالإضافة إلى ذلك ، فإن الغاز الناتج عن الكاثود عبارة عن خليط هيدروجين يحتاج إلى مزيد من الفصل والتنقية ، مما يزيد من التكلفة مقارنة بالتحليل الكهربائي للماء السائل التقليدي.يقلل استخدام السيراميك الموصّل للبروتون ، مثل السترونتيوم الزركوني ، من تكلفة الحالة الصلبة.يُظهر زركونات السترونتيوم موصلية بروتون ممتازة عند حوالي 700 درجة مئوية ، ويؤدي إلى الكاثود لإنتاج هيدروجين عالي النقاء ، مما يبسط جهاز التحليل الكهربائي بالبخار.

يان وآخرون. [6] ذكرت أن الأنبوب الخزفي الزركوني المستقر بواسطة أكسيد الكالسيوم تم استخدامه باعتباره SOE لهيكل داعم ، وكان السطح الخارجي مطليًا بلانثانوم بيروفسكايت مسامي (أقل من 0.25 مم) كقطب موجب ، و Ni / Y2O3 سيرميت أكسيد الكالسيوم المستقر ككاثود.عند طاقة الإدخال 1000 درجة مئوية ، 0.4 أمبير / سم 2 و 39.3 واط ، فإن قدرة إنتاج الهيدروجين للوحدة هي 17.6 نيوتن لتر / ساعة.عيب SOE هو الجهد الزائد الناتج عن خسائر أوم العالية الشائعة عند الترابط بين الخلايا ، وتركيز الجهد الزائد بسبب قيود نقل انتشار البخار.في السنوات الأخيرة ، جذبت الخلايا الإلكتروليتية المستوية الكثير من الاهتمام [7-8].على عكس الخلايا الأنبوبية ، فإن الخلايا المسطحة تجعل التصنيع أكثر إحكاما وتحسن كفاءة إنتاج الهيدروجين [6].في الوقت الحاضر ، تتمثل العقبة الرئيسية أمام التطبيق الصناعي للمركبات المملوكة للدولة في الاستقرار طويل المدى للخلية الإلكتروليتية [8] ، وقد تتسبب في حدوث مشكلات تقادم الإلكترود وإلغاء تنشيطه.