在爱达荷国家实验室，一个工程师团队正致力于开发更环保的工艺，使用高温电解将蒸汽分解为氢气和氧气。与先进的核电站相结合，高温电解将利用热量和工厂的一部分电力来产生氢气。“这是一种在不产生二氧化碳的情况下生产氢气的方法，”负责高能电解项目的INL核物理学家斯蒂芬赫林说，该项目是能源部核能核氢倡议办公室的一部分。

该实验室的高温电解团队最近完成了其综合实验室规模(ILS)实验的第一次测试，该实验是一个规模化的高温电解氢工厂。Herring站在ILS旁边，指出了系统的泵，控制系统，加热元件和电解槽，它们的工作温度为800摄氏度。

“这只是反应堆的一切，只是规模较小，”他说。当今年晚些时候满负荷运转时，ILS工厂每小时将产生大约500克的氢气。“这听起来不是很多，但氢气很轻，”赫林说。团队从ILS学到的经验教训将帮助他们设计一个能够每秒产生2.5公斤氢气的全规模工厂。对于汽车，一公斤氢气含有与一加仑汽油大致相同的能量。

创建综合实验室规模实验

由于水在加热时更容易分解，因此在高温下电解水比传统电解更有效。但设计在高温下表现良好的组件可能很困难。为了生产氢气，Herring和他的同事们使用类似燃料电池的材料。在每个固体氧化物电池中，电压将氧离子吸引通过陶瓷电解质，有效地将蒸汽分离成氢和氧。该团队正与盐湖城的Ceramatec公司合作生产电池。

四年前开始进行高温电解实验，其中一个小的纽扣电池直径约为1英寸。从那时起，团队已经将单元格的几何形状从单个按钮更改为一系列堆栈。蒸汽被推过每隔一层堆叠并被分开以产生氢气和氧气。在陶瓷膜的另一侧，已经迁移通过陶瓷电解质的氧离子被使用普通空气带走。从单个细胞到堆叠的几何变化是至关重要的一步。“从我们现有的小纽扣电池到现在的产品，我们的氢产量上升了15,000倍，”Herring说，“但我们还有另外15,000个因素可用。”

ILS实验将包含720个细胞，这些细胞将适合蒸笼树干大小的热箱。当以全功率运行时，ILS将消耗15kW的能量来为电解电池供电，该电解电池每小时产生500克氢。该团队正致力于通过提高电解槽的效率来减少能量。他们还计划增加热交换器，以便从ILS末端传递热量，从而在开始时加热水。创建这种循环过程将减少制造蒸汽所需的功率，使系统能够比现在减少20%的电力。

最大的挑战是制造能够抵抗腐蚀的固体氧化物电池。在苛刻的高温环境中持续使用会迅速降低电池产生氢气的效率。该团队测试了多达2,000小时或三个月的电池堆。但是，为了使商业高温电解厂具有成本效益，Herring说，电池必须运行两年。该团队现在准备从第一次ILS测试中拆除细胞，以寻找减少降解的方法。这些作品将被送到阿尔贡国家实验室，拉斯维加斯内华达大学和盐湖城的Ceramatec公司进行检查。

合成燃料

2004年，随着高温电解工作开始获得动力，INL工程师CarlStoots和JamesO'Brien意识到他们可以用固体氧化物电解电池做更多的事情。通过将蒸汽和二氧化碳的组合泵送到烟囱中，电解过程可用于产生合成气，氢气和一氧化碳的组合。一旦产生，合成气可以结合形成许多不同的燃料，使用Fischer-Tropsch工艺，由德国人在第二次世界大战期间开发，将煤转化为其他碳氢化合物，从人造黄油到喷气燃料。

“电解蒸汽和二氧化碳肯定更棘手，”Stoots说。“而不是一个过程，你至少有三个。”联合电解或蒸汽与二氧化碳的共电解包含三种不同的反应。蒸汽和二氧化碳各自被电解，分裂成氢气，氧气和一氧化碳。但另一个称为逆转换反应的过程将二氧化碳和氢转化为一氧化碳和蒸汽。“如果所有这些反应都是平等的，你最终会回到你开始的地方，”Stoots说。但电解逆转换反应产生的蒸汽会改变平衡。细胞主要产生一氧化碳和氢气。

转向以氢为基础的能源经济可能需要几十年的时间，但该团队表示，基于合成的碳氢化合物燃料提供了临时解决方案。研究小组表示，由于合成气传统上是通过煤气化或天然气的蒸汽重整生产的，因此在不依赖化石燃料的情况下生成原料烃材料可以提供更环保的解决方案。

虽然尚未像高温电解项目那样先进，但该团队希望尽快测试ILS中的共电解电池。Ceramatec的同事已经在共电解过程的下游安装了甲烷化反应器，成功地将一氧化碳和氢气产品转化为天然气。

随着该过程的发展，研究人员计划也开始寻找二氧化碳的生物来源，用作合成气的原料。Stoots解释说，发酵过程，如酒精植物，将是一个理想的来源。中等规模的操作每周可产生超过20,000磅的二氧化碳。“这是我们可以捕获，压缩和使用的东西，”Stoots说。“否则，它会直接进入大气层。