ما هي خلية وقود الأكسيد الصلب (SOFC)؟

تعمل خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFCs) في درجات حرارة أعلى من خلايا وقود الكربونات المنصهرة، وتتراوح درجة حرارة العمل من 800 إلى 1000 درجة. في هذا النوع من خلايا الوقود، تنشأ القوة الدافعة الكهربائية من ضغوط جزئية مختلفة للأكسجين على جانبي الخلية. تتكون الخلية الفردية من قطبين كهربائيين (قطب الوقود كقطب سالب وقطب مؤكسد كقطب موجب) وإلكتروليت. تتمثل الوظائف الرئيسية للأنود والكاثود في توصيل الإلكترونات وتوفير مسارات انتشار لغازات التفاعل وغازات المنتج.

يفصل المنحل بالكهرباء الصلب الغازات على كلا الجانبين. بسبب الضغوط الجزئية المختلفة للأكسجين على كلا الجانبين، يتم إنشاء تدرج محتمل كيميائي للأكسجين. تحت تأثير هذا التدرج الكيميائي المحتمل، تتحرك أيونات الأكسجين التي اكتسبت إلكترونات عند الكاثود نحو الأنود من خلال المنحل بالكهرباء الصلب. عند القطب الموجب، يتم إطلاق الإلكترونات، مما يخلق جهدًا كهربائيًا بين القطبين.

توصف خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFCs) بأنها الجيل الثالث من خلايا الوقود، مع أكسيد فلز صلب غير مسامي مثل المنحل بالكهرباء، والذي من خلاله تنتقل أيونات الأكسجين داخل البلورة لنقل الأيونات. وصلت التكنولوجيا الآن إلى مرحلة ناضجة. ومع ذلك، ونظرًا للعدد المحدود من المواد القادرة على العمل في درجات حرارة عالية وارتفاع تكلفتها، هناك تحول نحو تطوير خلايا الوقود متوسطة الحرارة.

مبدأ

 

عندما تعمل خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFCs) مع غاز إعادة التشكيل (خليط من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون) كوقود، يحدث التفاعل التالي داخل خلية الوقود:

 

عند الكاثود، تكتسب جزيئات الأكسجين إلكترونات ويتم اختزالها إلى أيونات أكسجين، أي:

O₂+4e⁻→2O²⁻

تحت تأثير فرق الجهد وتركيز القوة الدافعة على جانبي غشاء الإلكتروليت، تخضع أيونات الأكسجين، من خلال شواغر الأكسجين في غشاء الإلكتروليت، إلى انتقال موجه إلى جانب الأنود وتنخرط في تفاعلات الأكسدة مع الوقود، أي:

H₂+O^2-→H₂O+2e^-

ثاني أكسيد الكربون + O^2-٪e2٪86٪92CO₂+2e^-

رد الفعل العام:

H₂+CO+O₂٪e2٪86٪92CO₂+H₂O

 

 

مركب

لتحقيق وظيفة تحويل الطاقة الكهربائية بسلاسة، يجب أن تشتمل مجموعة خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFC) على المكونات التالية:

(1) جهاز تحويل كهروكيميائي يتكون من إلكتروليت صلب وكل من الكاثود والأنود. من بين المواد المنحل بالكهرباء، تعتبر الزركونيا المستقرة بالإيتريا هي الأكثر تطورًا.

(2) مصلح الوقود. يشتمل هذا الجهاز على محفز وحامل وحاوية. فهو يحول الوقود إلى جزيئات غازية صغيرة، مثل الميثان، ويتم وضعه في الطرف الأمامي من مجموعة الخلايا لتبادل الحرارة المتولدة أثناء تشغيل خلية الوقود.

(3) قنوات نقل الغاز والمحروقات (أو موزعي الغاز). تُستخدم المعادن بشكل شائع كمواد قناة لضمان الانتشار الأمثل ونقل المواد المتفاعلة.

(4) تعد مجمعات التيار، المعروفة أيضًا باسم الفرش الكهربائية، والمصنوعة عادةً من معادن أو مواد ذات موصلية إلكترونية جيدة، ضرورية للتوصيل الفعال.

(5) أجهزة الاستشعار. يمكن استخدام العديد من أجهزة الاستشعار المتوفرة تجاريًا لمراقبة درجة الحرارة والتيار وأنواع المركبات وجهد الخرج للخلية.

(6) أجهزة التحكم الحراري مثل الطبقات العازلة والمبردات والمبادلات الحرارية وأنظمة التهوية.

(7) غلاف معدني أو زجاجي سيراميكي. يتم استخدام المواد القابلة للاستخدام في درجة حرارة الغرفة، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ 304. هناك حاجة إلى مواد مقاومة لدرجة الحرارة العالية للاتصال الداخلي مع SOFC، مما يجعل السبائك المعدنية التجارية مناسبة لتقليل تكاليف التصنيع.

صفات

تعتبر خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFCs) نوعًا مثاليًا من خلايا الوقود، فهي لا تمتلك الكفاءة العالية والمزايا الصديقة للبيئة التي تتميز بها خلايا الوقود الأخرى فحسب، بل تتميز أيضًا بالخصائص البارزة التالية:

 

 

(1) تتمتع مركبات الكربون الكلورية فلورية ببنية صلبة تمامًا، مما يزيل مشكلات التآكل ومشاكل فقدان الإلكتروليت المرتبطة باستخدام الإلكتروليتات السائلة، مما يوفر إمكانية التشغيل على المدى الطويل.

 

 

(2) تعمل مركبات SOFC في درجات حرارة تتراوح بين 800 و1000 درجة، ولا تقضي على الحاجة إلى محفزات المعادن الثمينة فحسب، بل يمكنها أيضًا استخدام الغاز الطبيعي والغاز الاصطناعي والهيدروكربونات بشكل مباشر كوقود، مما يبسط نظام خلايا الوقود.

 

 

(3) تطلق مركبات الكربون الكلورية فلورية حرارة مهدرة عالية الحرارة، والتي يمكن استخدامها في دورات مشتركة مع توربينات الغاز أو توربينات البخار، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة توليد الطاقة بشكل عام.