یک تیم تحقیقاتی در آزمایشگاه ملی آیداهوی آمریکا INL، دستگاه دو منظوره ای را ارائه کرده است که در آن، برق مورد نیاز برای جدا کردن هیدروژن از بخار آب، را تولید میکند و در هنگام نیاز، هیدروژن تولید شده را برای تولید برق بکار میگیرد. عبور پروتون ها، یون های اکسیژن و الکترون ها اکسید جدید سه گانه جدید، منجر به تولید هیدروژن میشود و در فرآیند معکوس، الکتریسیته تولید میگردد.
هیدروژن حاصل از الکترولیز آب، فناوری جدیدی نیست. فرآیندی که با استفاده از جریان الکتریکی، هیدروژن را از آب جدا می کند. الکتریسیته مورد نیاز میتواند از منابع غیر تجدید پذیر نیز تامین گردد. اما در اینجا، تامین توان الکتریکی مورد مصرف، از منابع انرژی باد یا خورشیدی مد نظر میباشد. هیدروژن تجدیدپذیر درحال تبدیل شدن به یک منبع تجدیدپذیر قابل ذخیره سازی است که انرژی مازاد مصرف بادی و خورشیدی را در خود ذخیره میکند.
برا ی ایجاد بخار آب، نیاز به مصرف انرژی قابل توجهی هست. حال پرسش این است که اگر میتوان بروش الکترولیز، هیدروژن را از آب مایع جدا کرد، چه نیازی هست که بخار آب را به این منظور استفاده کنیم.
برای پاسخ به این سوال، نیاز است که نحوه عملکرد نیروگاه های بخار را مرور کنیم. این نیروگاهها بیشترین راندمان را در حداکثر ظرفیت کار خود دارند. و لذا، برای حفظ حداکثر راندمان، بهتر است که برای رعایت الگوی مصرف کننده های برق، تولید خود را کاهش دهند. مقدار انرژی مازاد مصرف یا بالقوه ای که ممکن است از بین برود، میتواند همان انرژی مورد نیاز برای تبدیل آب به بخار باشد که فرصتی برای تولید هیدروژن تجدیدپذیر را فراهم می آورد.
از نقطه نظر استفاده بهینه از انرژی، جدا کردن هیدروژن از بخار آب، بحث جذابی میباشد. در این فناوری، از سلولهای الکتروشیمیایی سرامیک پروتونیک یا PCEC استفاده میشود که در دمای بالای بخار آب کار می کنند. مشکلی که وجود دارد، گران بودن این سلولها برای استفاده تجاری میباشد. که از مواد گران قیمت تهیه میشوند و می توانند با دمای تا 800 درجه سانتیگراد کنار بیایند. علاوه بر این، چنین موادی بسرعت از بین میروند.
سلولهای الکتروشیمیایی سرامیک پروتونیک، در مقیاس بزرگ، با محدودیت شدید در تولید الکترود فعال و مقاوم در دماهای متوسط و طول عمر مفید، خصوصاً تحت غلظت بخار بالا ، مواجه است.
INL بعنوان پیشرو در موسسه تحقیقات انرژی هسته ای، به دنبال این است که توان بیشتری را از نیروگاه های هسته ای ایالات متحده استفاده نماید. تیم تحقیقاتی INL، در رویکرد نوین خود، از یک ماده اکسید پرووسکایت جدید و یک ساختار مشبک استفاده میکنند که سلول را قادر می سازد تا در دمای پائین، با راندمان بالا کار کند. پرووسکایت مذکور به بلورهای مصنوعی مبتنی بر ساختار پروسکایت طبیعی مربوط میشود، که محققان بدنبال استفاده از آن در فناوری فتوولتائیک میباشند. همچنین با استفاده از اکسید پرووسکایت، الکترود جدید میتواند پروتون ها را هدایت کند. این امر باعث می شود که در درجه حرارت پائینتر به راندمان بالاتر دست یافت.
در روش جدید، اکسید سه گانه پروسکایت PrNi0.5Co0.5O3-δ بعنوان الکترود اکسیژن عمل میکند و عملکرد الکتروشیمیایی بالایی را در دمای400 تا 600 درجه سانتیگراد ارائه می دهد. به این ترتیب، با عملکرد الکتروکاتالیستیکی بسیار عالی،انتقال قابل توجه پروتون را فراهم می آورد. دستگاه جدید هیدروژن تجدید پذیر INL، قبل از آماده شدن برای استفاده صنعتی، در حال گذراندن مراحل آزمایشگاهی میباشد.
دستگاه الکترولیز دما بالا می تواند در مراکز صنعتی موجود و تاسیسات هسته ای، که بخار اضافی تولید می کنند ، مورد استفاده قرار گیرد. با این ایده، هیدروژن بعنوان ماده ای جهت ذخیره سازی طولانی مدت انرژی، تولید میشود. هیدروژن قابل حمل است و براحتی میتوان از زیرساختهای خطوط لوله انتقال گاز طبیعی برای انتقال آن استفاده نمود. مخصوصا در مناطقی که زیر ساختهای انقال برق به اندازه کافی توسعه نیافته اند.
الکترولیز دما بالای سنتی (HTSE)
در روش سنتی از الکترود اکسیژن، برای هدایت الکترونها و یونهای اکسیژن استفاده میکنند. در مقایسه با الکترولیز آب مایع ، الکترولیز بخار داغ با درجه حرارت 800 تا 1000 درجه سانتیگراد، مصرف انرژی کمتری دارد. در کاتد، مولکولهای هیدروژن تشکیل میگردد و یون های اکسیژن ایجاد شده از طریق الکترولیت اکسید جامد حرکت می کنند و مولکولهای اکسیژن را در سطح آند تشکیل می دهند. که مطابق شکل ذیل، فرایندی معکوس سلول سوختی است .
از آنجایی که در الکترولیز بخار داغ در مقایسه با الکترولیز آب معمولی، طبق رابطه انرژی آزاد گیبس، انرژی الکتریکی ورودی مورد نیاز با افزایش دما کاهش می یابد، حدود 35٪ برق کمتری مصرف میشود. علاوه بر این، در درجه حرارتهای بالا، راندمان تولید برق حدود ده درصد بیشتر از راندمان سیکل استاندارد رانکین است. بنابراین در مجموع، راندمان کلی فرآیند الکترولیز بخار داغ برای تولید هیدروژن، بیش از 50٪ خواهد بود. این را میتوان مقایسه کرد با راندمان الکترولیز آب که 40٪ میباشد.
در این سیستم، مطابق شکل شماتیک زیر، سلول الکترولیتی از یک الکترولیت اکسید جامد تشکیل شده است و الکترودهایی که در دو طرف قرار میگیرند.
مخلوطی از بخار داغ و مقدار کمی هیدروژن، به الکترود هیدروژن (کاتد) تزریق می شود.
بازدیدها: 334
