4.3 Высокотемпературный электролиз водяного пара

Высокотемпературный электролиз водяного пара проводится в ячейках с твердым электролитом на основе оксидов циркония, модифицированных добавками 10–15 % (мол. ) оксидов некоторых элементов для увеличения его электропроводимости при температурах 800 – 1000°С. К таким оксидам относятся оксиды кальция, иттрия, иттербия, селена, ванадия. Подобный электролит обладает униполярной проводимостью; ток через него переносится ионами кислорода, образующимися при диссоциации воды и выделении водорода на катоде по выражениям:

Н₂О (пар) + 2е^- → О₂ + Н₂ (газ) катод

О^2–→ 0, 5О₂ (газ) + 2е^-.

Водород отводится из катодного пространства вместе с неразложившимся паром. Принципиальная схема ячейки высокотемпературного электролиза водяного пара приведена на рисунке 10.

Рисунок 10. – Принципиальная схема ячейки высокотемпературного электролиза водяного пара.

Ячейка электролизёра состоит из электролитической трубки небольшого диаметра (~10 мм) с определенным числом электродов (например, 20 шт. ), расположенных на внутренней (катоды) и наружной поверхности трубки (аноды). Отдельные электролитические элементы соединены между собой в серию при помощи проводников первого рода, размещенных в твердом электролите.

В качестве катода может быть использован никель с добавкой 10% (мол. ) циркония, в качестве анода — кобальтит лантана и празеодима. Жесткие условия работы затрудняют подбор достаточно стойких в условиях анодной поляризации материалов для анода и создание надежной ячейки анод-электролит-катод, выдерживающих изменение температуры от комнатной до рабочей температуры электролиза.

При реализации этого процесса создается возможность резкого сокращения расхода электроэнергии на производство электролитического водорода путем замена части ее тепловой энергией, например, от ядерного реактора. Лучшее использование тепловой энергии достигается на комбинированной установке, сочетающей высокотемпературный электролиз с энергетической системой для утилизации тепла в паровом котле и турбогенераторе.

Процесс электролиза водяного пара можно проводить при значительно более низком напряжении по сравнению с электролизом водных растворов.

При высокотемпературном электролизе практически напряжение выше терморавновесного и часть расходуемой на разложение электрической энергии превращается в тепло.

Равновесная разность потенциалов разложения воды в твердооксидных электролизеров при 900 – 1000 °С составляет менее 1В., и процесс электролиза с достаточной производительностью может протекать уже при 1, 2 – 1, 3 В., что соответствует затратам электроэнергии 2, 8 - 3, 0 кВт*ч/м³. Однако при этом для поддержания рабочей температуры необходимо подводить около 0, 4 – 0, 5 кВт*ч на 1м³ энергии в виде теплоты в рабочую зону электролизера и испарителю. В связи с этим преимущество твердооксидных электролизеров становятся очевидными, если они используют источники высокопотенциальной теплоты, например, теплоту ядерных реакторов или концентрированную солнечную энергию. Реальное напряжение на ячейке вследствие потерь на необратимые процессы всегда будет выше и зависит от используемой плотности тока:

Электролизёр с твердым оксидным электролитом может работать только в стационарном режиме; по крайней мере, в ходе эксплуатации следует избегать многочисленных циклов «пуск/остановка», сопряженных с циклическими изменениями температуры рабочих ячеек. Такие электролизёры существуют только в экспериментальных и опытно-промышленных образцах. Перспективны для получения электроэнергии в крупных стационарных установках.

Независимо от способа реализации основной вклад в стоимость водорода, производимого методом электролиза (70–90%), вносят затраты на электроэнергию. Так что, в отличие от рассмотренного метода получения водорода из природного газа, при увеличении производительности электролизной установки цена водорода существенно снижаться не будет, и основным фактором, определяющим конкурентоспособность электролизёра, будет не стоимость, а эффективность его работы (КПД). В то же время при наличии дешевой электроэнергии (например, в «провальные» периоды ее потребления) электролитическое производство водорода может стать рентабельным.