固体酸化物の電気分解による水素製造の進歩と経済分析

固体酸化物の電気分解による水素製造の進歩と経済分析

固体酸化物電解槽（SOE）は、電解に高温の水蒸気（600～900℃）を使用するため、アルカリ電解槽やPEM電解槽より効率的です。1960 年代になると、米国とドイツが高温水蒸気 SOE の研究を開始しました。SOE 電解槽の動作原理を図 4 に示します。リサイクルされた水素と水蒸気は、アノードから反応系に入ります。水蒸気はカソードで水素に電気分解されます。カソードで生成された O2 は、固体電解質を通ってアノードに移動し、そこで再結合して酸素を形成し、電子を放出します。

アルカリ電解セルやプロトン交換膜電解セルとは異なり、SOE 電極は水蒸気接触と反応し、電極と水蒸気接触の間の界面面積を最大化するという課題に直面します。そのため、ＳＯＥ電極は一般に多孔質構造を有する。水蒸気電気分解の目的は、エネルギー強度を減らし、従来の液体水電気分解の運用コストを削減することです。実際、水の分解反応に必要な総エネルギーは温度の上昇とともにわずかに増加しますが、電気エネルギーの必要量は大幅に減少します。電解温度が上昇すると、必要なエネルギーの一部が熱として供給されます。SOE は、高温の熱源の存在下で水素を生成することができます。高温ガス冷却原子炉は950℃まで加熱できるため、原子力エネルギーをSOEのエネルギー源として利用することができます。同時に、地熱エネルギーなどの再生可能エネルギーも水蒸気電解の熱源としての可能性を秘めていることが研究で示されています。高温で動作すると、バッテリー電圧が低下し、反応速度が上昇する可能性がありますが、材料の熱安定性とシールの問題にも直面します。さらに、陰極で生成されるガスは水素混合物であり、さらに分離および精製する必要があり、従来の液体水の電気分解に比べてコストが高くなります。ジルコン酸ストロンチウムなどのプロトン伝導性セラミックスを使用すると、SOE のコストが削減されます。ジルコン酸ストロンチウムは、約700℃で優れたプロトン伝導性を示し、カソードで高純度の水素を生成するのに役立ち、水蒸気電解装置を簡素化します。

ヤンら。 [6] は、酸化カルシウムによって安定化されたジルコニア セラミック チューブが支持構造の SOE として使用され、外側表面がアノードとして薄い (0.25mm 未満) 多孔性ランタン ペロブスカイトでコーティングされ、カソードとして Ni/Y2O3 安定酸化カルシウム サーメットがコーティングされたと報告しています。1000°C、0.4A/cm2、39.3W の入力電力で、ユニットの水素生成能力は 17.6NL/h です。SOE の欠点は、セル間の相互接続で一般的な高いオーム損失から生じる過電圧と、蒸気拡散輸送の制限による高い過電圧濃度です。近年、平面電解セルが多くの注目を集めています [7-8]。管状セルとは対照的に、フラットセルは製造をよりコンパクトにし、水素製造効率を向上させます[6]。現在、SOE の工業的適用に対する主な障害は、電解槽の長期安定性であり [8]、電極の老化と失活の問題が発生する可能性があります。