Fortschritt und wirtschaftliche Analyse der Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse von Festoxiden

Fortschritt und wirtschaftliche Analyse der Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse von Festoxiden

Festoxid-Elektrolyseure (SOE) verwenden Hochtemperatur-Wasserdampf (600 ~ 900 ° C) für die Elektrolyse, was effizienter ist als alkalische Elektrolyseure und PEM-Elektrolyseure.In den 1960er Jahren begannen die Vereinigten Staaten und Deutschland mit der Erforschung von Hochtemperatur-Wasserdampf-SOE.Das Arbeitsprinzip des SOE-Elektrolyseurs ist in Abbildung 4 dargestellt.Recycelter Wasserstoff und Wasserdampf treten von der Anode in das Reaktionssystem ein. Der Wasserdampf wird an der Kathode zu Wasserstoff elektrolysiert. Das von der Kathode produzierte O2 wandert durch den Festelektrolyten zur Anode, wo es sich zu Sauerstoff rekombiniert und Elektronen freisetzt.

Im Gegensatz zu Alkali- und Protonenaustauschmembran-Elektrolysezellen reagiert die SOE-Elektrode mit Wasserdampfkontakt und steht vor der Herausforderung, die Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Wasserdampfkontakt zu maximieren. Daher hat die SOE-Elektrode im Allgemeinen eine poröse Struktur.Der Zweck der Wasserdampfelektrolyse besteht darin, die Energieintensität zu reduzieren und die Betriebskosten der herkömmlichen Flüssigwasserelektrolyse zu senken.Obwohl der Gesamtenergiebedarf der Wasserzersetzungsreaktion mit zunehmender Temperatur leicht ansteigt, nimmt der elektrische Energiebedarf deutlich ab.Mit steigender Elektrolysetemperatur wird ein Teil der benötigten Energie als Wärme zugeführt.Das SOE ist in der Lage, Wasserstoff in Gegenwart einer Hochtemperatur-Wärmequelle zu erzeugen. Da gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren auf 950 °C aufgeheizt werden können, kann Kernenergie als Energiequelle für das SOE genutzt werden.Gleichzeitig zeigt die Forschung, dass die erneuerbaren Energien wie Geothermie auch das Potenzial als Wärmequelle der Dampfelektrolyse haben.Der Betrieb bei hoher Temperatur kann die Batteriespannung verringern und die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, steht aber auch vor der Herausforderung der thermischen Stabilität und Versiegelung des Materials.Darüber hinaus ist das von der Kathode erzeugte Gas ein Wasserstoffgemisch, das weiter getrennt und gereinigt werden muss, was die Kosten im Vergleich zur herkömmlichen Elektrolyse mit flüssigem Wasser erhöht.Die Verwendung von protonenleitenden Keramiken wie Strontiumzirkonat reduziert die Kosten von SOE.Strontiumzirkonat zeigt eine hervorragende Protonenleitfähigkeit bei etwa 700°C und ist für die Kathode förderlich, um hochreinen Wasserstoff zu erzeugen, wodurch die Dampfelektrolysevorrichtung vereinfacht wird.

Yanet al. [6] berichteten, dass ein durch Calciumoxid stabilisiertes Zirkonoxid-Keramikrohr als SOE der Stützstruktur verwendet wurde, die Außenfläche mit dünnem (weniger als 0,25 mm) porösem Lanthanperowskit als Anode und Ni/Y2O3-stabilem Calciumoxid-Cermet als Kathode beschichtet war.Bei 1000 °C, 0,4 A/cm2 und 39,3 W Eingangsleistung beträgt die Wasserstoffproduktionskapazität der Einheit 17,6 NL/h.Der Nachteil von SOE ist die Überspannung, die sich aus hohen Ohm-Verlusten ergibt, die an den Verbindungen zwischen Zellen üblich sind, und die hohe Überspannungskonzentration aufgrund der Beschränkungen des Dampfdiffusionstransports.In den letzten Jahren haben planare Elektrolysezellen viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen [7-8].Im Gegensatz zu Röhrenzellen machen Flachzellen die Fertigung kompakter und verbessern die Effizienz der Wasserstoffproduktion [6].Derzeit ist das Haupthindernis für die industrielle Anwendung von SOE die Langzeitstabilität der Elektrolysezelle [8], und die Probleme der Elektrodenalterung und -deaktivierung können verursacht werden.