Penghasilan hidrogen daripada air melalui elektrolisis oksida pepejal

Penghasilan hidrogen daripada air melalui elektrolisis oksida pepejal

Sel elektrolisis oksida pepejal (SOEC) ialah teknologi elektrolisis air suhu tinggi yang menggunakan YSZ dan bahan lain sebagai elektrolit untuk menghasilkan hidrogen melalui tindak balas anod dan katod. Ia mempunyai kelebihan penggunaan kuasa yang rendah dan kecekapan tinggi, dan sesuai untuk pemulihan haba sisa, tetapi menghadapi cabaran kos dan kestabilan yang tinggi.

Elektrolisis oksida pepejal air untuk menghasilkan hidrogen ialah teknologi elektrolisis air suhu tinggi. Daripada prinsip teknikal, SOEC boleh dibahagikan kepada SOEC pengaliran ion oksigen dan SOEC pengaliran proton.

(Prinsip kerja SOEC pengaliran ion oksigen)

(Prinsip kerja SOEC konduktor proton)

Ion oksigen yang mengalirkan SOEC menggunakan oksida pepejal sebagai elektrolit, dan tindak balas kimia berikut berlaku di anod dan katod masing-masing:
Anod: 2O²ˉ=O2+ 4e-
Katod: 2H2O+4e-=2H2+2O²ˉ

Komponen teras SOEC termasuk elektrolit padat dan elektrod berliang, di mana elektrolit biasanya adalah bahan yttria stabilized zirconia (YSZ). Pada suhu tinggi 600 hingga 1000°C, YSZ mempunyai kekonduksian ionik dan kestabilan termokimia yang sangat baik, menjadikannya bahan elektrolit pilihan untuk SOEC.

Sebagai tambahan kepada YSZ, beberapa bahan lain juga digunakan secara meluas dalam elektrolit SOEC. Sebagai contoh, scandia menstabilkan zirkonia (ScSZ) dan elektrolit berasaskan serium oksida, bahan ini juga menunjukkan prestasi yang baik dalam keadaan tertentu. Di samping itu, elektrolit berasaskan lanthanum gallate semakin mendapat perhatian, dan penggunaan bahan ini menyediakan pelbagai pilihan untuk elektrolit SOEC.

Dari segi bahan elektrod, elektrod hidrogen biasanya menggunakan komposit seramik logam Ni-YSZ, yang bukan sahaja mempunyai kekonduksian yang baik, tetapi juga menyediakan aktiviti pemangkin yang mencukupi untuk menggalakkan penjanaan hidrogen. Elektrod oksigen kebanyakannya menggunakan komposit strontium-doped lanthanum gallate (LSM) dan YSZ, yang boleh memangkinkan penjanaan oksigen dan mengekalkan kestabilan pada suhu tinggi dengan berkesan.

Struktur SOEC terutamanya dibahagikan kepada dua jenis: tiub dan rata. SOEC tiub adalah jenis yang paling awal untuk dikaji. Kelebihan utamanya ialah ia tidak memerlukan bahan pengedap tambahan dan kaedah sambungannya agak mudah. Walau bagaimanapun, SOEC tiub juga mempunyai kelemahan seperti kos yang tinggi dan ketumpatan kuasa yang rendah. Sebaliknya, SOEC rata mempunyai kelebihan ketumpatan kuasa tinggi dan kos rendah, jadi ia telah menjadi tempat hangat dalam penyelidikan semasa. Walau bagaimanapun, SOEC rata mempunyai cabaran besar dalam pengedap, dan adalah perlu untuk mengatasi kestabilan bahan pengedap di bawah keadaan suhu tinggi.

Suhu operasi SOEC biasanya setinggi 600 hingga 1000 ℃, dan entalpi wap air suhu tinggi adalah tinggi, jadi voltan elektrolisis SOEC boleh serendah 1.3V, manakala voltan elektrolisis elektrolisis alkali atau proton elektrolisis membran pertukaran (PEM) biasanya melebihi 1.8V. Oleh itu, SOEC mempunyai kelebihan yang jelas dalam penggunaan kuasa. Di bawah keadaan penggunaan kuasa minimum, 3kWj elektrik boleh menghasilkan 1 meter padu standard hidrogen. Walau bagaimanapun, SOEC memerlukan penggunaan tenaga tambahan untuk menghasilkan wap air suhu tinggi, yang mempunyai kelebihan unik dalam beberapa senario aplikasi khas, seperti pengeluaran hidrogen kuasa nuklear.

Walaupun SOEC mempunyai kelebihan yang jelas dalam penggunaan kuasa dan kecekapan, suhu operasinya yang tinggi juga membawa beberapa cabaran dan masalah. Yang pertama ialah isu kos. Kos bahan bersuhu tinggi dan proses pembuatan adalah tinggi. Yang kedua ialah masa permulaan dan penutupan yang panjang. Memandangkan SOEC perlu mencapai suhu tinggi untuk beroperasi, proses permulaan dan penutupannya agak perlahan. Selain itu, kehidupan kitaran juga merupakan isu utama yang perlu diselesaikan. Di bawah keadaan operasi suhu tinggi, kestabilan dan ketahanan bahan menghadapi cabaran.

Pada masa ini, teknologi pengeluaran hidrogen elektrolisis air oksida pepejal masih dalam peringkat demonstrasi dan pengesahan, dan belum lagi direalisasikan dalam aplikasi komersial berskala besar. Walaupun menghadapi banyak cabaran, teknologi SOEC telah menunjukkan potensi besar dalam bidang tertentu. Sebagai contoh, dalam penggunaan sisa haba daripada loji kuasa nuklear dan pemulihan haba sisa industri suhu tinggi, teknologi SOEC boleh menukar sumber haba suhu tinggi ini dengan berkesan kepada hidrogen, dengan itu mencapai penggunaan dan penukaran tenaga yang cekap.

Pada masa hadapan, dengan kemajuan berterusan sains bahan dan proses pembuatan, teknologi SOEC dijangka dapat mengatasi kesesakan teknikal semasa dan mencapai kecekapan yang lebih tinggi dan kos yang lebih rendah. Penyelidikan dan pembangunan lanjut akan menumpukan pada peningkatan prestasi bahan elektrolit dan elektrod, memanjangkan hayat perkhidmatan peralatan, dan mengoptimumkan keseluruhan reka bentuk dan parameter operasi sistem. Melalui penambahbaikan dan inovasi pelbagai aspek, teknologi SOEC dijangka menduduki kedudukan penting dalam ekonomi hidrogen masa depan dan menjadi cara penting bagi penggunaan tenaga boleh diperbaharui dan pengeluaran hidrogen.