Tiến độ và phân tích kinh tế sản xuất hydro bằng điện phân oxit rắn

Tiến độ và phân tích kinh tế sản xuất hydro bằng điện phân oxit rắn

Máy điện phân oxit rắn (SOE) sử dụng hơi nước ở nhiệt độ cao (600 ~ 900°C) để điện phân, hiệu quả hơn so với máy điện phân kiềm và máy điện phân PEM.Vào những năm 1960, Hoa Kỳ và Đức bắt đầu tiến hành nghiên cứu về SOE hơi nước nhiệt độ cao.Nguyên lý làm việc của máy điện phân SOE được thể hiện trong Hình 4.Hydro tái chế và hơi nước đi vào hệ thống phản ứng từ cực dương. Hơi nước bị điện phân thành hydro ở cực âm. O2 do cực âm tạo ra di chuyển qua chất điện phân rắn đến cực dương, nơi nó kết hợp lại để tạo thành oxy và giải phóng các electron.

Không giống như các tế bào điện phân màng trao đổi proton và kiềm, điện cực SOE phản ứng khi tiếp xúc với hơi nước và đối mặt với thách thức tối đa hóa diện tích tiếp xúc giữa điện cực và tiếp xúc với hơi nước. Do đó, điện cực SOE thường có cấu trúc xốp.Mục đích của quá trình điện phân hơi nước là giảm cường độ năng lượng và giảm chi phí vận hành của quá trình điện phân nước lỏng thông thường.Trên thực tế, mặc dù tổng nhu cầu năng lượng của phản ứng phân hủy nước tăng nhẹ khi nhiệt độ tăng, nhưng nhu cầu năng lượng điện lại giảm đáng kể.Khi nhiệt độ điện phân tăng lên, một phần năng lượng cần thiết được cung cấp dưới dạng nhiệt.SOE có khả năng sản xuất hydro khi có nguồn nhiệt ở nhiệt độ cao. Do các lò phản ứng hạt nhân làm mát bằng khí ở nhiệt độ cao có thể được làm nóng đến 950°C nên năng lượng hạt nhân có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng cho SOE.Đồng thời, nghiên cứu cho thấy năng lượng tái tạo như năng lượng địa nhiệt cũng có tiềm năng là nguồn nhiệt của quá trình điện phân hơi nước.Hoạt động ở nhiệt độ cao có thể làm giảm điện áp pin và tăng tốc độ phản ứng, nhưng nó cũng đối mặt với thách thức về tính ổn định nhiệt và khả năng bịt kín của vật liệu.Ngoài ra, khí do cực âm tạo ra là hỗn hợp hydro, cần được tách và tinh chế thêm, làm tăng chi phí so với điện phân nước lỏng thông thường.Việc sử dụng gốm dẫn proton, chẳng hạn như stronti zirconat, làm giảm chi phí của SOE.Strontium zirconate cho thấy độ dẫn proton tuyệt vời ở khoảng 700°C và có lợi cho cực âm để tạo ra hydro có độ tinh khiết cao, đơn giản hóa thiết bị điện phân hơi nước.

Yan et al. [6] đã báo cáo rằng ống gốm zirconia được ổn định bởi canxi oxit đã được sử dụng làm SOE của cấu trúc đỡ, bề mặt bên ngoài được phủ một lớp lantan perovskite xốp mỏng (dưới 0,25mm) làm cực dương và gốm kim loại canxi oxit ổn định Ni/Y2O3 làm cực âm.Ở 1000°C, công suất đầu vào 0,4A/cm2 và 39,3W, năng suất sản xuất hydro của thiết bị là 17,6NL/h.Nhược điểm của SOE là quá điện áp do tổn thất điện trở cao thường xảy ra ở các kết nối giữa các tế bào và nồng độ quá điện áp cao do hạn chế vận chuyển khuếch tán hơi.Trong những năm gần đây, các tế bào điện phân phẳng đã thu hút nhiều sự chú ý [7-8].Trái ngược với tế bào hình ống, tế bào phẳng giúp quá trình sản xuất nhỏ gọn hơn và nâng cao hiệu quả sản xuất hydro [6].Hiện tại, trở ngại chính đối với ứng dụng công nghiệp của SOE là tính ổn định lâu dài của tế bào điện phân [8] và có thể gây ra các vấn đề về lão hóa và ngừng hoạt động của điện cực.