Solid oxide

SOLID OXIDE

پي��ل س��وختي ي��ک وس��يله الکتروشيمياي��ي اس��ت ک��ه انرژ��ي شيمياي��ي را ب��ه انرژ��ي . الكترود كاتد تشكيل شده استو الكترود آند ،از الكتروليت کند و الکتريکي تبديل مي

مقدمه

: پيل سوختي اکسيد جامد• آرچرتوليد اولين سري پيل سوختي اكسيد جامد توسط : ميالدي1965 وات و الكتروليت آن زير كونياي پايدار شده توسط كلسيم 100 توان پيل توجه:

و الكترودها از جنس پالتين

تاریخچه

Anode: 2 H2 + 2 O2- => 2 H2O + 4 e-

Cathode : O2 + 4 e- => 2 O2-

نحوه عملکرد

رایج ترین مواد مورد استفاده برای اجزاء پیل سوختی اکسید جامد

• NiO/YSZ

•YSZ (yttria-stabilized zirconia)

• LSM/YSZ (Lanthanume Strontium Manganite-LSM)

الكترولي�ت هاي سراميكي ب�ا اكس�يد جام�د پي�ل هاي س�وختي هادي يون اكس�يژن، تكنولوژ�ي اي پاك و ب�ا آلودگ�ي پايين براي توليد برق با بازده باال محسوب مي شود. مزاياي اين پيل هاي مدوالر زياد، اطمينان قابليت باال، بازده شام��ل س��وختي آالينده پايين ميزان و ب�ا س�وختهاي مختل�ف كار بودن،قابلي�ت هاي توليدي س�بب جايگاه ويژ�ه آنه�ا در دني�ا شده است. دماي عملكردي باالي اي�ن پي�ل ه�ا س�بب تواناي�ي كاركرد آنه�ا با انواع متانول، اتانول، طبيعي، نظيرگاز دار هيدروكرب�ن س�وختهاي گازوئي�ل و بي�و گاز بدون نياز ب�ه رفورم�ر خارج�ي گران قيمت و همچني�ن تواناي�ي اس�تفاده بص�ورت هي�بريدي ب�ا ديگ�ر سيستمهاي

.توليد توان شده است

بازده باالي پيل سوختي اكسيد جامد نسبت به دیگر منابع توليد توان

از نظ�ر س�اختار س�ل و نوع طراح�ي، پي�ل هاي س�وختي اكس�يد جام�د را مي توان ب�ه دو دس�ته عمده طراح�ي لول�ه اي و طراح�ي ص�فحه اي تقسيم بندي نمود. در طراحي لوله اي، الكترودها و الكتروليت به شكل يك لوله و يا يك جعب�ه قرار گرفت�ه اند. در برخ�ي از اي�ن طراح�ي ه�ا، الكترولي�ت و ي�ا يكي از الكتروده�ا نق�ش پاي�ه را دارد و در برخ�ي ديگ�ر لول�ه اي جدا اي�ن نقش را بر عهده دارد. طراح�ي لول�ه اي خود ب�ه دو دس�ته جريان باال و ولتاژ باال تقسيم نموده را فراهم آس�ان بندي آ�ب امكان اي س�ل لول�ه .ساختار م�ي شود اس�ت. در طراح�ي ص�فحه اي الكتروده�ا و الكترولي�ت ب�ه ص�ورت تخت بر روي ه�م قرار م�ي گيرند. اي�ن نوع طراح�ي خود ب�ه دو دس�ته طراحي دايره

اي و مستطيلي تقسيم مي گردد.

انواع پيل هاي سوختي اكسيد جامد

چگال�ي توان نوع ص�فحه اي بيشت�ر از نوع لول�ه اي اس�ت . در طراح�ي لوله اي ب�ه عل�ت مس�يرهاي هداي�ت الكتريك�ي طوالن�ي ت�ر، اف�ت ه�ا بيشتر بوده و

آنه�ا محدود ب�ه ميل�ي وات بر سانتيمتر ٣٠٠ ت�ا ٢٥٠ماكزيم�م چگال�ي توان مرب�ع اس�ت. نوع� ص�فحه اي بدلي�ل داشت�ن مس�يرهاي هداي�ت كوتاهتر از توان بيشتري برخوردار اس�ت. چگال�ي توان باال و هزين�ه س�اخت ك�مت�ر، س�بب توجه ويژ�ه اي ب�ه اي�ن نوع از پي�ل س�وختي شده اس�ت . هرچن�د مشك�ل اساسي در

اين نوع از پيل سوختي، آب بندي است .

مقايسه بين انواع لوله اي و صفحه اي پيل سوختي اكسيد جامد

پي�ل های س�وختی اکس�يد جامد را م�ی توان به دو دسته خود پايه تقسيم بندی گ�اه تکيه وظيف�ه س�وختی، پي�ل اجزای از يک�ی پاي�ه، خود نوع در نمود.

( بر عهده دارد. بنابراي�ن ت�ک سل External supportingس�اختاری س�ل را )آن�د تکي�ه، کات�د تکي�ه و ي�ا الکترولي�ت تکي�ه باشد. در س�اختار تکيه م�ی توان�د ها دهنده اتص��ال روی بر نازک الي��ه ص��ورت ب��ه س��ل ک��ل خارج��ی،

Interconnect( با يک زيراليه ))Substrate.متخلخل قرار می گيرد )

انواع ساختارهای پيل های سوختی نوع مسطح از نظر نوع تکيه

يک مقطع از پيل سوختي اکسيد جامد لوله اي با ريفرمينگ داخلي غير مستفيمسرعت باال، و متوس��ط فشارهاي در

ريفرمين�گ متان کمت�ر م�ي شود و در نتيجه ريفرمر ورودي در کمتري دماي�ي اف�ت ايجاد م�ي شود. افزاي�ش فشار ب�ا افزايش انرژ�ي گيب�س واکن�ش الکتروشيميايي و در و پذير بازگش��ت ولتاژ افزاي��ش نتيج��ه پتانس�يل غلظتي، ب�ا کاه�ش اف�ت همچني�ن مي افزاي�ش را پي�ل توليدي نهاي�ي ولتاژ

دهد.

كاربردهاي ساكن• كاربردهاي حمل نقل متفرقه• كاربردهاي پرتابل•

كاربردهاي پيل سوختي اكسيدجامد

توسعه پيل سوختي اكسيد جامد

درص�د بيشترين ٣٥ قاره اروپ�ا ب�ا حدود SOFCاز نظ�ر فعالي�ت بر روي س�هم را ب�ه خود اختص�اص داده اس�ت. آمريك�ا شمالي مقام دوم را دارد.

درص�د فعالي�ت ها مربوط ١٩همانطور ك�ه در شك�ل ديده م�ي شود، حدود ب�ه كمپان�ي ه�ا هس�تند ك�ه اعتقاد دارن�د ك�ه تجارتشان جهان�ي اس�ت و به كشور خاص�ي محدود نيس�ت. يافت�ه ه�ا نشان م�ي ده�د ك�ه حدود ي�ك سوم

درص�د آنه�ا، به عنوان ٤٢فعاليته�ا در زمين�ه تحقي�ق و توس�عه اس�ت .حدود درصد از ٧٥ ك�ه حدود PEMتجاري شدن به آن م�ي نگرند. در مقايس�ه با

فعاليتها بر روي تجاري شدن است.

توسعه در آمريكا

بر روي توس�عه سيستم هاي SECAشرك�ت هاي آمريكاي�ي تح�ت برنام�ه كيلووات كه ١٠ ت�ا ٣پي�ل هاي س�وختي اكس�يد جام�د ص�فحه اي ب�ه ظرفي�ت

دالر به ازاي ٤٠٠را داشت�ه باش�د، ب�ا هزين�ه MWقابلي�ت تركي�بي ت�ا ظرفي�ت را نشان مي برنام�ه فوق اهداف زي�ر، اند. جدول ه�ر كيلووات گذاشت�ه

دهد.

•Acumentrics روي س�اخت بر كمپان�ي كاربرد SOFCاي�ن با اي لول�ه هاي UPS و

كار CHPسيستمهاي و ٥م�ي كند. محص�والت اي�ن شرك�ت را م�ي توان ب�ه س�اخت سيستمهاي

ك�يلووات اشاره نمود.١٠

توسعه در آمريكا

•Mesoscopic Devices

براي SOFC كيلووات ١اي�ن شرك�ت ب�ه س�اخت س�يستم تولي�د توان زير كاربردهاي متحرك مشغول است.

•Technology Management, Inc. (TMI) بر روي توس�عه و س�اخت س�يستمهاي مختلف ١٩٩٠اين شرك�ت از س�ال

SOFCاص�لي تمرك�ز اس�ت. مشغول TMI هاي پيل س�اخت روي بر اي�ن شركت تاكنون س�وختي اكس�يد جام�د ص�فحه اي دايره اي اس�ت.

كيلووات�ي ك�ه ب�ا سوختهايي ٣ و ١موف�ق ب�ه س�اخت و توس�عه اس�تك هاي نظي�ر پروپان، گاز ط�بيع�ي، اتانول، بيوگاز، گازوئي�ل و روغ�ن گياهي كار

مي كنند، شده است.

•Ztec و ب�ا هدف پيشرف�ت و توس�عه س�يستمهاي پيل ١٩٨٤اي�ن شرك�ت در س�ال

كارهاي گسترده اي را براي Ztecس�وختي اكس�يد جام�د تاس�يس شد. توس�عه و س�اخت ي�ك سيستم SOFCتوس�عه و س�اخت س�يستمهاي هيبري�د

ب�ا چيل�ر جذب�ي، از جمل�ه كارهاي اي�ن شركت SOFC كيلووات ٢٥تركي�بي اي�ن شرك�ت اخيرا بر روي توس�ع�ه و س�اخت ي�ك س�يستم هيبريد اس�ت.

با توربين گاز كار مي كند.SOFC كيلووات ٢٠٠

توسعه در آمريكا

•Honeywell (GE)

ب�ه صورت جدي كار ٢٠٠٢ از س�ال GE ب�ا همكاري Honeywellشركتبر روي س�اخت س�يستم هاي پي�ل س�وختي اكس�يد جامد را شروع كرد.

كيلووات و ١٠ ت�ا ٣عمده فعالي�ت آنه�ا در س�اخت اس�تك ه�ا ب�ا ظرفي�ت رفورمرهاي س�وخت متمرك�ز شده اس�ت.اين شرك�ت بر روي پيل هاي

سوختي اكسد جامد از نوع صفحه اي كار مي كند.

• Delphi توس�عه كند. SOFCاي�ن شرك�ت دنبال مي آ�ن كاربرد متحرك ب�ا هدف

Delphi كار خود را بر روي س�اخت ٢٠٠٠ در س�ال APU پن�ج كيلوواتي ك�يلوگرم وزن و ٢٠٤ APUبراي وس�ايل نقلي�ه شروع نمود. نس�ل اول اي�ن

ليت�ر حج�م داشت. در نس�ل هاي بعدي آ�ن، وزن و حج�م ب�ه طور قابل ١٥٥توجهي كاهش يافت.

توسعه در آمريكا

توسعه در اروپا

• FZJ

آلمان SOFC ،FZJيك�ي از پيشرو و مهمتري�ن موس�سات در زمين�ه توسعه ١٩٩٠ ، تحقي�ق بر روي پي�ل هاي س�وختي اكس�يد جام�د را از س�ال FZJاس�ت.

و ها زمين�ه در اي�ن شرك�ت نمود. آغاز نازك الكترولي�ت زمين�ه در كار ب�ا Siemens-Westinghouse• فعاليت نموده است. SOFCكاربردهاي مختلفي از

س�ل لوله اي ١١٥٢ کيووات�ی خود را ب�ا ١٠٠زيمنس�-وستينگهاوس س�يستم ردي�ف ساخته ١٢ س�انتی مت�ر( در ١٥ س�انتی مت�ر و طول مفي�د ٢/ ٢) قط�ر

٤٧ س�ال ب�ا گاز ط�بيعی و ب�ا بازده ٢اس�ت. اي�ن س�يستم در هلن�د ب�ه مدت کيلووات آب داغ ٨٥درص�د کار کرد. اي�ن س�يستم همچني�ن برای تولي�د تقريب�ا

جه�ت اس�تفاده سيستم گرمايش محل�ی بکار رفت و قابليت ترکيب با توربين گاز توربين ترکيب�ی س�يستم دارد. ني�ز را ای SOFCگاز بازده دارای -

کيلووات و توربين ٢٠٠ حدود SOFC درص�د م�ی باشد. )اس�تک ٧٠درحدود ک�يلووات( برق توليد کرده است.٥٠گاز حدود

•Wartsila

، تحقي�ق و توسعه را بر روي ٢٠٠٠ در فنالند در س�ال Wartsilaشرك�ت را آغاز نمود. اين APU تجاري براي تولي�د برق و SOFCس�يستم هاي

كيلووات را ب�ه اتمام رس�انده اس�ت. اين ٥ت�ا ١شرك�ت تس�ت اس�تك هاي همكاري شرك ب�ا همچني�ن واح�د VTTموس�سه ي�ك ٢ را ٠ كيلوواتي

توسعه دادند.•Rolls Royce

اي�ن موسسه در نوع ص�فحه اي مشغول اس�ت. توس�عه اس�تك هاي ب�ه كيلووات را س�اخت. همچنين در ١٣ /٦ اس�تك تح�ت فشار ٢٠٠٥س�ال بار را تولي�د نمود. هم اكنون ٧ كيلووات�ي ب�ا فشار ٨٠ واح�د ٢٠٠٦س�ال

مگاواتي است.١مشغول كار بر روي سيستم تركيبي

توسعه در اروپا

يك�ي ديگ�ر از كشورهاي ب�ا س�ابقه در زمين�ه پي�ل س�وختي اكس�يد جامد، ساختند. ١٩٨٩ كيلووات نوع لول�ه اي در س�ال ١روس�يه اس�ت. آنه�ا نمون�ه

وات بر سانتي متر مربع بوده و در دماي ٠/ ٢سل ها داراي چگالي توان درجه كار مي كردند.٩٠٠

توسعه در اروپا

توسعه در آسيا

بر ب�ه صورت عمده در آس�يا س�ه كشور، ژاپ�ن، اس�تراليا و كره جنوب�ي كنند. شركتهاي SOFCروي م�ي كار Toky Gas وJ-Power از ، ژاپن ب�ا تحقي�ق بر روي ساخت Mitsubishi ب�ا همكاري شرك ١٩٨٩س�ال

SOFC شركت كردند. شروع خود كار اي ص�فحه نوع� Tokyo Gas كيلوواتي صفحه اي را با موفقيت انجام داده است.٣ساخت استك

يك�ي ديگ�ر از موس�سات فعال در زمين�ه پي�ل س�وختي اكس�يد جام�د، شركت اس�ت Ceramics fuel cells limitedاس�تراليايي CFCL سال .از

در زمين�ه پي�ل س�وختي اكس�يد جام�د فعالي�ت م�ي كند. عمده فعاليت ١٩٩٢اي�ن شرك�ت در زمين�ه س�اخت پي�ل هاي س�وختي اك�س�يد جام�د صفحه اي

٥ ، استك ١٩٩٨ در س�ال CFCL)ه�م الكترولي�ت پايه و ه�م آند پايه( اس�ت. كيلووات پي�ل س�وختي اكس�يد جامد ٢٥ ، اس�تك ٢٠٠٠كيلووات و در س�ال

را با موفقيت تست نمود.

SOFC توسعه چگالي توان

به مونوکسید کربن و دی اکسید کربن حساس نیستند • دمای عملکرد باال باعث افزایش راندمان می شود• بحث خوردگی ندارد• دما باال،بنابراین کاتالیست گرانقیمت نمی خواهد• نیازی به تزریق الکترولیت نیست• به دلیل جامد بودن کل قسمت ها قابل ساخت به شکل های مختلف •

است.

مزایا

کاربرد محدود به دلیل دمای عملکرد باال•زمان راه اندازی طوالنی•در شروع کار مص�رف انرژی زیاد•مشکل آب بندی •تنش های حرارتی •

معایب

توس�عه ت�ك س�ل پي�ل س�وختي س�وختي اكس�يد جام�د به طور عمده در دو نوع لول�ه اي و ص�فحه اي انجام م�ي گيرد. چگال�ي توان پايي�ن نوع لوله اي س�بب شده ك�ه از آنه�ا تنه�ا در ك�اربردهاي س�اكن تولي�د برق استفاده كاربردهاي متحرك از بسياري در اي نوع ص�فحه از در حاليك�ه شود. پيل كاربردهاي عمده ك�ه داده نشان مطالعات شود. م�ي اس�تفاده واحدهاي شامل كوچ�ك س�اكن دركاربردهاي جام�د اكس�يد س�وختي و كاربردهاي صنعتي خانگ�ي، برق تامي�ن براي اس�تفاده مورد س�اكن كاربردهاي نظام�ي اس�ت. عمده فعالي�ت هاي ص�ورت گرفت�ه روي پيل و موسسات اس�ت توس�عه و تحقي�ق حوزه در جام�د اكس�يد س�وختي از ك�نند. كار مي آ�ن توس�عه بر روي نقاط مختل�ف جهان در بس�ياري لحاظ ميزان فعاليت قاره اروپا، بيشترين سهم را به خوداختصاص داده

است.

نتيجه گيري

قليايي متانول كربنات مذاب

اسيدفسفري

كپليمري اكسيد

جامد

هيدروكسيد

پتاسيمغشاء،پليمري

مايع كربناتمذاب ثابت

مايع اسيد

فسفريك ثابت

غشاء پلیمری سراميك الكترولي

ت

90-60 130-60 650 200 80 1000 دماي

عملياتي تا 6040% 40% تا 60

45%40 -

35%60 -

40% تا 6550% بازده

20تا كيلووات

كمتر از 10

كيلووات

بيش از يك

مگاوات

بيش از 50

كيلووات 250تا

كيلوواتبيش از

200 كيلووات

توان توليدي

زير درياي و فضYايي

كاربردهاي

قابل حمل

نيروگاهي

نيروگاهي

وسايل نقليه نيروگاه

ي Yكوچك

نيروگاهي كاربرد

مقايسه پيلهاي سوختي آلي

1- S.C. Singhal, Solid oxide fuel cells for stationary, mobile, and military applications, Solid StateIonics 152–153 )2002( 405– 410.2- www.fz-juelich.de3- D. Herman, Assessment of Solid Oxide Fuel Cell Technology Comparison of Alternative DesignApproaches, Report, EPRIsolutions, Inc., 2002.4- N. Sammes, A. Smirnova, O. Vasylyev," Fuel Cell Technologies: State and Perspectives", Springer,2005.5- S. C. Singhal, Solid Oxide Fuel Cells For Clean and Efficient Power Generation, Pacific NorthwestNational LaboratoryRichland,Boston, 2003.6- S.C. Singhal and K.Kenda, "High Temperature Solid Oxide fuel Cell, Fundamental, Design andApplication", Elsevier Advanced Technology, The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford OX5,UK, 2003.

مراجع

7- G. Crawley, Opening doors to fuel cell commercialization: SOFC, Fuel Cell Today – January 2007.8- www.harc.edu/Projects/FuelCell/Reports/Equipment/FuelCell?fuelCellID=3259- G. Tao, T. Armstrong and A. Virkar, Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell )IT-SOFC(Research and Development Activities at MSRI, Nineteenth Annual ACERC & ICES Conference, 2005.10- www.ztekcorp.com11- www.tmifuelcellsystems.com12- S. Shaffer, Development update on Delphi's solid oxid fuel cell system, SECA Review Meeting,Boston, 2004.13- www.ecn.nl