Производство водорода из воды твердооксидным электролизом

Производство водорода из воды твердооксидным электролизом

Твердооксидный электролизер (SOEC) — это технология высокотемпературного электролиза воды, в которой YSZ и другие материалы используются в качестве электролитов для производства водорода посредством анодных и катодных реакций. Он обладает преимуществами низкого энергопотребления и высокой эффективности и подходит для рекуперации отходящего тепла, но сталкивается с проблемами высокой стоимости и стабильности.

Твердооксидный электролиз воды с получением водорода представляет собой технологию высокотемпературного электролиза воды. По техническому принципу SOEC можно разделить на SOEC с кислородно-ионной проводимостью и SOEC с протонной проводимостью.

(Принцип работы SOEC с кислородно-ионной проводимостью)

(Принцип работы протонпроводящего СОЭЦ)

SOEC, проводящий ионы кислорода, использует твердый оксид в качестве электролита, и на аноде и катоде происходят следующие химические реакции соответственно:
Анод: 2O²ˉ=O2+ 4e-
Катод: 2H2O+4e-=2H2+2O²ˉ

Основные компоненты SOEC включают плотный электролит и пористый электрод, где электролитом обычно является материал диоксида циркония, стабилизированный иттрием (YSZ). При высоких температурах от 600 до 1000°C YSZ обладает превосходной ионной проводимостью и термохимической стабильностью, что делает его предпочтительным электролитным материалом для SOEC.

Помимо YSZ, в электролитах SOEC широко используются и некоторые другие материалы. Например, стабилизированный скандием диоксид циркония (ScSZ) и электролиты на основе оксида церия, эти материалы также показывают хорошие характеристики при определенных условиях. Кроме того, постепенно привлекают внимание электролиты на основе галлата лантана, а применение этих материалов открывает широкий выбор электролитов SOEC.

Что касается электродных материалов, то в водородных электродах обычно используются металлокерамические композиты Ni-YSZ, которые не только обладают хорошей проводимостью, но также обеспечивают достаточную каталитическую активность для стимулирования образования водорода. В кислородных электродах в основном используются композиты из галлата лантана, легированного стронцием (LSM) и YSZ, которые могут эффективно катализировать выработку кислорода и сохранять стабильность при высоких температурах.

Структура СОЭК в основном делится на два типа: трубчатую и плоскую. Трубчатый SOEC — самый ранний тип, подлежащий изучению. Его главное преимущество в том, что он не требует дополнительных уплотнительных материалов, а способ подключения относительно прост. Однако трубчатые SOEC также имеют такие недостатки, как высокая стоимость и низкая удельная мощность. Напротив, плоский SOEC имеет преимущества высокой удельной мощности и низкой стоимости, поэтому он стал горячей точкой в текущих исследованиях. Однако плоский SOEC имеет большие проблемы с герметизацией, и необходимо преодолеть стабильность уплотнительных материалов в условиях высоких температур.

Рабочая температура SOEC обычно составляет от 600 до 1000 ℃, а энтальпия высокотемпературного водяного пара высока, поэтому напряжение электролиза SOEC может составлять всего 1,3 В, в то время как напряжение электролиза щелочного электролиза или протонного электролиза. Электролиз обменной мембраны (ПЭМ) обычно выше 1,8 В. Таким образом, SOEC имеет очевидные преимущества в энергопотреблении. При условии минимального энергопотребления 3 кВтч электроэнергии могут произвести 1 стандартный кубический метр водорода. Однако SOEC требует дополнительного потребления энергии для производства высокотемпературного водяного пара, что имеет уникальные преимущества в некоторых особых сценариях применения, таких как производство водорода в ядерной энергетике.

Хотя SOEC имеет очевидные преимущества в энергопотреблении и эффективности, его высокая рабочая температура также создает некоторые трудности и проблемы. Во-первых, это вопрос стоимости. Стоимость высокотемпературных материалов и производственных процессов высока. Во-вторых, длительное время включения и выключения. Поскольку для работы SOEC необходимо достичь высокой температуры, процесс его запуска и остановки происходит относительно медленно. Кроме того, срок службы также является ключевым вопросом, который необходимо решить. В условиях высокотемпературной эксплуатации стабильность и долговечность материала сталкиваются с проблемами.

В настоящее время технология производства водорода электролизом твердых оксидов воды все еще находится на стадии демонстрации и проверки и еще не реализована в крупномасштабном коммерческом применении. Несмотря на множество проблем, технология SOEC продемонстрировала большой потенциал в конкретных областях. Например, при использовании отработанного тепла атомных электростанций и утилизации высокотемпературного промышленного тепла технология SOEC может эффективно преобразовывать эти высокотемпературные источники тепла в водород, тем самым обеспечивая эффективное использование и преобразование энергии.

Ожидается, что в будущем, благодаря постоянному прогрессу в области материаловедения и производственных процессов, технология SOEC преодолеет текущие технические трудности и достигнет более высокой эффективности и снижения затрат. Дальнейшие исследования и разработки будут направлены на улучшение характеристик электролитов и электродных материалов, продление срока службы оборудования, а также оптимизацию общей конструкции и рабочих параметров системы. Ожидается, что благодаря многогранным улучшениям и инновациям технология SOEC займет важное место в будущей водородной экономике и станет важным средством использования возобновляемых источников энергии и производства водорода.