سلولهای سوخت اکسید جامد (SOFCS): شیرجه عمیق به ساختارها ، مواد و برنامه های کاربردی

سلولهای سوخت اکسید جامد (SOFC) یک فناوری تحول آمیز در تبدیل انرژی الکتروشیمیایی را نشان می دهند. بر خلاف تولید برق مبتنی بر احتراق معمولی ، SOFC ها به طور مستقیم انرژی شیمیایی را از سوخت هایی مانند هیدروژن یا متان به برق با راندمان بالا (60-85 ٪) و حداقل انتشار تبدیل می کنند. معماری اصلی آنها به هادی های یونی مبتنی بر سرامیک متکی است و باعث می شود عملکرد در دمای بالا (درجه 500-1000) انجام شود. در این مقاله به بررسی تنوع ساختاری SOFC ها ، مبانی علمی مواد آنها ، تکنیک های تولید و برنامه های در حال تحول در صنایع می پردازیم.

1. sofcs های لوله ای

پیشگام توسط شرکت قدرتمند زیمنس وستینگهاوس (SWPC) ، SOFC های لوله ای سلولهای استوانه ای با لایه های متوالی هستند:

 لوله پشتیبانی کاتد: Manganite Lanthanum متخلخل (LSM) یا مواد پروسسکیت مشابه ، از طریق اکستروژن تشکیل شده است.

 الکترولیت: زیرکونیای تثبیت شده Yttria (YSZ) ، از طریق رسوب بخار الکتروشیمیایی (EVD) برای اطمینان از محکم بودن گاز سپرده می شود.

 بهم پیوستن: کرومیت لانتانوم دوپ (لاکرو) یا آلیاژهای فلزی (به عنوان مثال ، CROFER 22 APU) ، که از طریق پاشش پلاسما اعمال می شود.

 آنه: Nickel-Isz Cermet ، چاپ شده به صفحه نمایش یا با روکش دوغاب.

مزایا:

 یکپارچگی مکانیکی قوی: هندسه استوانه ای استرس حرارتی را به حداقل می رساند و دوچرخه سواری حرارتی سریع را قادر می سازد.

 بدون مهر درجه حرارت بالا: کانال های سوخت و هوا ذاتاً از هم جدا می شوند و مونتاژ پشته را ساده می کنند.

محدودیت ها:

 چگالی قدرت کم (~ 0. 2 w/cm²): مسیرهای جریان طولانی باعث افزایش تلفات اهمی می شود.

 هزینه های ساختگی بالا: EVD و پاشش پلاسما با انرژی پر انرژی هستند و به تجهیزات تخصصی نیاز دارند.

نوآوری ها:

 طراحی لوله مسطح SWPC: ترکیب انعطاف پذیری لوله ای با مسیرهای جریان مانند مسطح ، افزایش چگالی قدرت به ~ {1}}. 35 w/cm².

 SOFC های میکروتوبولار: لوله های زیر میلی متر (به عنوان مثال ، طرح های Acumentrics) به راه اندازی سریع دست می یابند (<10 minutes) and 1–5 kW outputs for portable power.

2. Sofcs Planar

سلولهای مسطح یک ساختار مسطح و لایه ای "مثبت-منفی" (قلم) (PEN) را ارائه می دهند ، ارائه می دهند:

 چگالی قدرت بالا ({{0}}. 5–1.0 w/cm²): مسیرهای جریان کوتاه و عمودی مقاومت را کاهش می دهد.

 تولید مقیاس پذیر: ریخته گری نوار ، چاپ صفحه و همبستگی تولید انبوه را فعال می کند.

چالش:

 مدیریت استرس حرارتی: ضرایب انبساط حرارتی ناسازگار (TEC) بین لایه ها می تواند باعث لایه لایه شدن شود.

 پیچیدگی مهر و موم: مهر و موم های شیشه ای سرامیک باید ضمن جداسازی جریان سوخت/هوا ، در برابر دوچرخه سواری حرارتی مقاومت کنند.

نوآوری های مادی:

 الکترولیت: زیرکونیای تثبیت شده Scandia (SCSZ) برای افزایش هدایت یونی در 750 درجه.

 بهم پیوستن: فولادهای ضد زنگ فریتیک (به عنوان مثال ، CROFER 22 APU) با پوشش های محافظ (به عنوان مثال ، Mnco₂o₄) برای مقاومت در برابر اکسیداسیون.

1. سلولهای پشتیبانی شده توسط الکترولیت

به عنوان SOFC های نسل اول ، این سلولها برای پایداری مکانیکی از الکترولیت های ضخیم YSZ (100-200 میکرومولار) استفاده می کنند اما برای غلبه بر رسانایی یونی پایین به دمای بالا (1000 درجه) نیاز دارند.

 طراحی سولزر هگزیس: پشتیبانی از الکترولیت را با جریان گاز شعاعی ترکیب می کند و به راندمان الکتریکی 40 ٪ در سیستم های CHP مسکونی می رسد.

 Bloom Energy's ES -5700: یک پشته تجاری 200 کیلو وات که با 950 درجه کار می کند و از زیرکونیای تثبیت شده با هزینه کم هزینه استفاده می کند.

محدودیت ها:

 نرخ تخریب بالا: ترک خوردگی الکترولیت به دلیل دوچرخه سواری ردوکس.

 استارتاپ آهسته: نامناسب برای برنامه های تلفن همراه.

2. سلولهای پشتیبانی شده از آند

با تغییر نقش پشتیبانی به یک آند ضخیم NI-ISZ (1 میلی متر ~) ، درجه حرارت کار به 700-800 درجه کاهش می یابد.

 پشته جولیچ: achieves 0. 6 w/cm² در 750 درجه با استفاده از پوشش دوغاب خلاء برای الکترولیت های نازک YSZ (5-10 میکرومتر).

 مکانیسم های تخریب: درشت نیکل و مسمومیت گوگرد باعث کاهش ثبات طولانی مدت می شود.

تصویب بازار:

 گاز توکیو: یک سیستم مسکونی 700 W با 90 ٪ مصرف سوخت.

 سیستم های ترکیبی GE: Integrating SOFCs with gas turbines for >راندمان 65 ٪.

3 سلولهای پشتیبانی شده از کاتد

این سلول ها پشتیبانی مکانیکی کاتد را در اولویت قرار می دهند ، که برای طرح های لوله ای ایده آل است.

 طراحی سری تقسیم شده SWPC: انباشت لوله های کاتد راه راه به 50 کیلو وات خروجی می رسد.

 چالش های مادی: کاتدهای SR-DOPED LAMNO₃ (LSM) با YSZ بالاتر از 1200 درجه واکنش نشان می دهند ، نیاز به لایه های Ceria (GDC) گادولینیوم دوپ.

4. سلولهای پشتیبانی شده توسط فلز (MSC)

بسترهای فولادی ضد زنگ دوچرخه سواری حرارتی سریع (500-600 درجه) و سازگاری با برنامه های خودرو را فعال می کنند.

نوآوری های DLR:

 موانع انتشار: la {0}}. 6Sr 0. 2ca {{7}. 2cro {6}}} {{9}. 6 Sr 0.

 پاشش پلاسما جوی (APS): سپرده های الکترولیت متراکم در شرایط هوای آزاد ، کاهش 30 ٪ هزینه ها.

 Ceres Power's Steelcell ™: یک پشته 5 کیلو وات با استفاده از الکترولیت های فولادی فری و CGO ، با هدف قرار دادن 1 پوند ، {2}}/kW هزینه تولید.

برنامه:

 آپوس خودرو: ون E-NV200 با قدرت SOFC Nissan محدوده EV 500 کیلومتر را گسترش می دهد.

 هوا و فضا: 3 کیلووات APU DLR برای قدرت کمکی هواپیما.

1. رسوب بخار الکتروشیمیایی (EVD):

فرآیند: واکنش به کلریدهای فلزی (به عنوان مثال ، Zrcl₄) با بخار برای تشکیل فیلم های متراکم YSZ.

مورد استفاده: سلولهای لوله ای SWPC.

2. ریخته گری و همکاری مشترک:

گام: ریخته گری لایه های آند/الکترولیت/کاتد به عنوان نوارهای سبز ، لمینیت و شلیک.

مزیت: تولید با توان بالا سلولهای مسطح.

اسپری پلاسما 3.:

انواع: خلاء (VPS) برای پوشش های متراکم ؛ جوی (APS) برای برنامه های حساس به هزینه.

4. روشهای شیمیایی:

روکش: انستیتوی سرامیک شانگهای LSM.

رسوب الکتروفورز (EPD): الکترولیتهای CGO CERES POWER.

 چگالی قدرت: دامنه از 0. 2 w/cm² (لوله ای) تا 1.2 w/cm² (مسطح پیشرفته).

 میزان تخریب: <1%/1,000 hours for metal-supported cells vs. 2–5%/1,000 hours for anode-supported designs.

 اهداف زندگی: 40 ، {1} ساعت برای سیستم های ثابت ؛ چرخه 10 ، {3}} چرخه برای APU های خودرو.

چالش های کلیدی:

1. سازگاری مواد: کاهش واکنشهای بین سطحی (به عنوان مثال ، Interdiffusion NI-ISZ/فولاد).

2. کاهش قیمت: مقیاس تولید مواد نادر زمین (به عنوان مثال ، اسکاندیا ، گادولینیوم).

ادغام سیستم 3. سیستم: متعادل کردن اصلاح طلبان سوخت ، مبدل های حرارتی و الکترونیک برق.

1. SOFCS LOW-TPERATURE (LT-SOFCS):

 هدف: با استفاده از الکترولیت های پروتون (به عنوان مثال ، Bazr₀.₈y₀.₂o₃) زیر 600 درجه کار کنید.

 فواید: سازگاری با اجزای استیل ضد زنگ و راه اندازی سریعتر.

SOFC های چاپی 2.3D:

مزیت: هندسه های قابل تنظیم برای جریان گاز بهینه و جمع آوری فعلی.

نمونه: ساختارهای قلم افزودنی تولید شده ORNL.

3. مواد ساختار یافته:

الکترودهای نانوالیاف: سطح بالاتر برای فعالیت کاتالیزوری پیشرفته.

رسوب لایه اتمی (ALD): فیلم های الکترولیت فوق العاده نازک و بدون نقص.

سیستمهای هیدبرید:

توربین نرم: Achieving >70 ٪ راندمان در گیاهان در مقیاس مگاوات.

سوی: هیبریداسیون با LI-Ion برای ثبات شبکه.

فناوری SOFC در چهارراه نوآوری مواد و مقیاس پذیری صنعتی قرار دارد. در حالی که طرح های لوله ای در دوام و سلولهای مسطح حاکم هستند و بر کاربردهای قدرت بالا حاکم هستند ، انواع مختلف با استفاده از فلز در حال باز کردن مرزهای جدید در تحرک و عدم تمرکز هستند. پیشرفت در تولید از پلاسما پلاسما به چاپ سه بعدی-هزینه های کاهش هزینه ها را کاهش می دهد ، در حالی که نانومواد و سیستم های ترکیبی نوید دهنده راندمان بی سابقه ای هستند. با انتقال سیستم های انرژی جهانی به سمت دکربن سازی ، SOFC ها آماده هستند تا نقش مهمی در ایجاد شکاف بین متناوب تجدید پذیر و تحویل قدرت قابل اعتماد داشته باشند.

منابع:

کندال ، ک.SOFC های میکروتوبولار: از مفهوم تا تجاری سازیبشر Elsevier ، 2015.

Wachsman ، EDسلولهای سوخت اکسید جامد: خصوصیات و عملکرد موادبشر CRC Press ، 2016.

بلوم ، ل.SOFC های پشتیبانی شده توسط فلز: پیشرفت ها و چالش ها. مجله منابع قدرت, 2021.

گزارش های صنعت از Bloom Energy ، Ceres Power و Siemens Energy.

درخواست نقل قول