Waterstofproductie uit water door elektrolyse van vaste oxiden

Waterstofproductie uit water door elektrolyse van vaste oxiden

Vaste-oxide-elektrolysecel (SOEC) is een waterelektrolysetechnologie op hoge temperatuur die YSZ en andere materialen als elektrolyten gebruikt om waterstof te produceren via anode- en kathodereacties. Het heeft de voordelen van een laag energieverbruik en een hoog rendement, en is geschikt voor de terugwinning van restwarmte, maar wordt geconfronteerd met hoge kosten en stabiliteitsproblemen.

Vaste-oxide-elektrolyse van water om waterstof te produceren is een waterelektrolysetechnologie op hoge temperatuur. Vanuit het technische principe kan SOEC worden onderverdeeld in zuurstofionengeleiding SOEC en protongeleiding SOEC.

(Zuurstofionengeleiding SOEC-werkprincipe)

(Werkprincipe van protongeleidende SOEC)

Zuurstofionengeleidende SOEC gebruikt vast oxide als elektrolyt, en de volgende chemische reacties vinden respectievelijk plaats aan de anode en kathode:
Anode: 2O²ˉ=O2+ 4e-
Kathode: 2H2O+4e-=2H2+2O²ˉ

De kerncomponenten van SOEC omvatten een dichte elektrolyt en een poreuze elektrode, waarbij de elektrolyt gewoonlijk yttriumoxide-gestabiliseerd zirkoniumoxide (YSZ)-materiaal is. Bij hoge temperaturen van 600 tot 1000 °C heeft YSZ een uitstekende ionische geleidbaarheid en thermochemische stabiliteit, waardoor het het elektrolytmateriaal dat de voorkeur heeft voor SOEC.

Naast YSZ worden ook enkele andere materialen veel gebruikt in SOEC-elektrolyten. Scandia-gestabiliseerde zirkoniumoxide (ScSZ) en op ceriumoxide gebaseerde elektrolyten vertonen bijvoorbeeld ook goede prestaties onder bepaalde omstandigheden. Bovendien krijgen op lanthaangallaat gebaseerde elektrolyten geleidelijk de aandacht, en de toepassing van deze materialen biedt een verscheidenheid aan keuzes voor SOEC-elektrolyten.

Wat de elektrodematerialen betreft, gebruiken waterstofelektroden gewoonlijk Ni-YSZ-metaalkeramische composieten, die niet alleen een goede geleidbaarheid hebben, maar ook voldoende katalytische activiteit bieden om de waterstofproductie te bevorderen. Zuurstofelektroden maken meestal gebruik van composieten van met strontium gedoteerd lanthaangallaat (LSM) en YSZ, die de zuurstofproductie effectief kunnen katalyseren en de stabiliteit bij hoge temperaturen kunnen handhaven.

De structuur van SOEC is hoofdzakelijk verdeeld in twee typen: buisvormig en plat. Buisvormige SOEC is het eerste type dat wordt bestudeerd. Het belangrijkste voordeel is dat er geen extra afdichtingsmaterialen nodig zijn en dat de verbindingsmethode relatief eenvoudig is. Buisvormige SOEC heeft echter ook nadelen zoals hoge kosten en lage vermogensdichtheid. Platte SOEC heeft daarentegen de voordelen van een hoge vermogensdichtheid en lage kosten, waardoor het een hotspot is geworden in het huidige onderzoek. Platte SOEC kent echter grote uitdagingen op het gebied van afdichting en het is noodzakelijk om de stabiliteit van afdichtingsmaterialen onder hoge temperaturen te overwinnen.

De bedrijfstemperatuur van SOEC is gewoonlijk zo hoog als 600 tot 1000 ℃, en de enthalpie van waterdamp op hoge temperatuur is hoog, dus de elektrolysespanning van SOEC kan zo laag zijn als 1,3 V, terwijl de elektrolysespanning van alkalische elektrolyse of proton uitwisselingsmembraan (PEM) elektrolyse is meestal hoger dan 1,8 V. Daarom heeft SOEC duidelijke voordelen op het gebied van energieverbruik. Onder de voorwaarde van een minimaal energieverbruik kan 3 kWh elektriciteit 1 standaard kubieke meter waterstof produceren. SOEC vereist echter extra energieverbruik om waterdamp op hoge temperatuur te produceren, wat unieke voordelen heeft in sommige speciale toepassingsscenario's, zoals de productie van waterstof uit kernenergie.

Hoewel SOEC duidelijke voordelen heeft op het gebied van energieverbruik en efficiëntie, brengt de hoge bedrijfstemperatuur ook enkele uitdagingen en problemen met zich mee. Het eerste is het kostenprobleem. De kosten van materialen en productieprocessen bij hoge temperaturen zijn hoog. De tweede is de lange opstart- en uitschakeltijd. Omdat SOEC een hoge temperatuur moet bereiken om te kunnen functioneren, verloopt het opstart- en uitschakelproces relatief langzaam. Bovendien is de levensduur van de cyclus ook een belangrijk probleem dat moet worden opgelost. Onder bedrijfsomstandigheden bij hoge temperaturen worden de stabiliteit en duurzaamheid van het materiaal geconfronteerd met uitdagingen.

Momenteel bevindt de waterstofproductietechnologie voor vaste-oxide-waterelektrolyse zich nog in de demonstratie- en verificatiefase en is nog niet gerealiseerd in grootschalige commerciële toepassingen. Ondanks de vele uitdagingen heeft de SOEC-technologie op specifieke gebieden een groot potentieel laten zien. Bij het gebruik van restwarmte van kerncentrales en de terugwinning van industriële restwarmte op hoge temperatuur kan de SOEC-technologie deze hoge-temperatuur-warmtebronnen bijvoorbeeld effectief omzetten in waterstof, waardoor een efficiënt gebruik en omzetting van energie wordt bereikt.

In de toekomst, met de voortdurende vooruitgang van de materiaalwetenschap en productieprocessen, wordt verwacht dat de SOEC-technologie de huidige technische knelpunten zal overwinnen en een hogere efficiëntie en lagere kosten zal bereiken. Verder onderzoek en ontwikkeling zullen zich richten op het verbeteren van de prestaties van elektrolyt- en elektrodematerialen, het verlengen van de levensduur van apparatuur en het optimaliseren van het algehele ontwerp en de bedrijfsparameters van het systeem. Door veelzijdige verbeteringen en innovaties wordt verwacht dat SOEC-technologie een belangrijke positie zal innemen in de toekomstige waterstofeconomie en een belangrijk middel zal worden voor het gebruik van hernieuwbare energie en de productie van waterstof.