التركيب الأساسي لخلايا وقود الأكسيد الصلبة (SOFC)

المكونات الرئيسية لـخلية وقود واحدهي المنحل بالكهرباءقصيدة ، الكاثود والتوصيل البيني أو الفاصل الثنائي القطب ، كما هو مبين في الشكل 1.5.

مواد المكونات المختلفة التي تشكلخلية الوقوديجب أن يكون له استقرار جيد في الأجواء المؤكسدة و (أو) ، بما في ذلك الاستقرار الكيميائي ، والاستقرار البلوري واستقرار الأبعاد الخارجية ؛ التوافق الكيميائي مع بعضها البعض ؛ الموصلية الكهربائية المناسبة ومعاملات التمدد الحراري المماثلة. في الوقت نفسه ،المنحل بالكهرباءويحتاج التوصيل المترابط إلى أن يكون كثيفًا تمامًا لمنع تغلغل وخلط غاز الوقود والأكسجين ؛ يجب أن يكون الأنود والكاثود مساميًا لتسهيل تغلغل الغاز إلى موقع التفاعل. يتم عرض المتطلبات المحددة للمكونات المختلفة لخلية الوقود في الجدول 1.6.

أولا المواد الكهربائية

المنحل بالكهرباءSOFCهو جوهر البطارية ، وهو مصنوع عمومًا من السيراميك الأكسيد ، أي المحلول الصلب الملبد بالكهرباء ZRO2. يحدد أداء المنحل بالكهرباء مباشرة درجة حرارة التشغيل وأداء البطارية.

مقاومة ZRO2 النقية عند 1000 ℃ هي 107 Ω/سم ، وهي قريبة من مواد العزل. في الوقت الحاضر ، تستخدم الشوارد الصلبة القائمة على ZRO2 ، والتي تستخدم على نطاق واسع في SOFC ، بعض أكاسيد ثنائية الثنائي أو ثلاثية التكافؤ إلى مخدر Zro2 لاستبدال موضع Zr^(4+) بأيونات معدنية منخفضة القيمة. نتيجة لذلك ، ليس فقط ZRO2 (بنية الفلوريت) هي بنية طور مستقرة من درجة حرارة الغرفة إلى درجة حرارة عالية (1000 ℃) ، ولكن أيضًا يتم توليد شاغرة أكثر من O^(2-) بسبب تعويض الشحنة ، وبالتالي زيادة النطاق الأيوني من النطاق الأيوني من ZRO2 إلى 10^(-2) S/CM ، وفي الوقت المناسب تمديد النطاق الأداء الأداء. في هذا Zro2 المستقر ، يتم استخدام الشواغر O^(2-) كوسيلة ، أي ، يتم استخدام آلية الشواغر لإظهار الموصلية O^(2-).

في الوقت الحاضر ، فإن المواد الأكثر شيوعًا المستخدمة ككهرباء هي ZRO2 المستقر Y2O3 (المختصرة كـ YSZ) ، والتي لا تتغير الموصلية الأيونية بشكل كبير عندما يتغير الضغط الجزئي للأوكسجين بأكثر من عشرة أوامر من الحجم. في الوقت الحاضر ، كيفية إعداد فيلم YSZ بأداء مناسب هو نقطة ساخنة وصعوبة في أبحاث الناس.

الثاني. مواد الأنود

مادة الإلكترود من SOFC هي أولاً وقبل كل شيءالمحفز. تتطلب مادة الأنود الموصلية الإلكترونية العالية والاستقرار في جو تقليل ونفاذية الهواء الجيدة. لذلك ، يتم استخدام البلاتين عادة ، ولكن البلاتين مكلف. سيؤدي استخدام المواد المعدنية مثل النيكل والكوبالت إلى عدم تطابق التوسيع والالتصاق الحراري ، كما أن تشغيل درجات الحرارة العالية على المدى الطويل سوف يقلل أيضًا من مسامية. يتمثل اتجاه البحث الحالي في استخدام السيراميك المعدني كمواد أنود ، وكلما كان ذلك مثاليًا هو Ni-Composite YSZ. تتمثل المهمة الرئيسية في دراسة عمليات معقولة وإعداد مواد مركبة Ni-Syz بأداء مناسب.

ثالثا. مادة الكاثود

الكاثودSOFCيشبه الأنود ويجب أن يكون أيضًا فيلمًا موصلًا إلكترونيًا يسهل اختراقه. نظرًا لأن كاثود البطارية يعمل في جو مؤكسد في درجة الحرارة العالية ويلعب دور نقل الإلكترونات ونقل الأكسجين ، فإن متطلبات مادة الكاثود صارمة نسبيًا. يجب أن يكون للمواد الكاثود الموصلية الكهربائية العالية ، ومقاومة الأكسدة عالية الحرارة والاستقرار الحراري في درجة الحرارة العالية ، ويجب ألا يتفاعل كيميائيًا مع المنحل بالكهرباء. المادة التقليدية هي البلاتين المعدني ، والتطور الأخير هو السيراميك أكسيد مخدر - lamno3. نظرًا لأن مادة الكاثود من SOFC ، فقد أثبت عدد كبير من التجارب أن LA1-XSR XMNO3 هي مادة الكاثود المفضلة.

رابعا. مادة الموصل

تشكل مواد الإلكتروليت والكهرباء معًا وحدة بطارية واحدة من ثلاثة في واحد. قوة بطارية واحدة محدودة ويمكن أن تولد فقط جهد حوالي 1 فولت. من أجل الحصول على حزمة بطارية عالية الطاقة ، يجب توصيل العديد من البطاريات المفردة معًا بطرق مختلفة (سلسلة ، موازية ، ومختلطة) ، والتي تتطلب مواد موصل ومواد الختم. في SOFC ، مطلوب مكون الموصل للحصول على توصيل إلكتروني جيد واستقرار في درجات حرارة عالية. في الوقت الحاضر ، يمكن استخدام عدد قليل من الأكاسيد فقط كمواد موصل SOFC ، مثل كرومات اللانثانوم (LACRO3) مع بنية perovskite. مواد سبيكة عالية الحرارة المستخدمة كمواد موصل SOFC هي أيضًا نقطة اتصال بحثية.

خامسا مواد الختم وغيرها

يتم استخدام مواد الختم لتوصيل مواد الإلكتروليت ومواد الموصل معًا. يجب أن تكون مقاومة لدرجات حرارة عالية. تحت درجة حرارة تفاعل البطارية (700 ~ 1000 ℃) ، يتم تحضيرها بشكل عام عن طريق ذوبان مختلط من الزجاج. بالإضافة إلى ذلك ، هناك حاجة إلى مواد مساعدة أخرى ، مثل أنابيب Corundum مثل غرف غاز الأكسجين وأنابيب الكوارتز مثل غرف غاز الوقود. لديهم جميعا مداخل ومنافذ الهواء ويحتاجون إلى ختم وتوصيل.

السادس. مجموعة خلية واحدة

SOFC على نطاق واسع عبارة عن حزمة بطارية تتكون من خلايا واحدة مكدسة في هياكل مختلفة. في الوقت الحالي ، تم تطوير أربعة أنواع من حزم البطارية ، بما في ذلك الأنبوبي والسلسلة والكتل والمسطح. في التطبيقات العملية ، يتم توصيل خلايا الوقود الفردية في سلسلة و/أو بالتوازي لتشكيل حزمة بطارية لتلبية تطبيقات محددة.

في خلية الوقود المفردة الموضحة في الشكل 1.5 ، تشكل الأنود والكهرباء والكاثود بنية مركبة من ثلاثة من بين واحد. في الأبحاث والمعالجة الفعلية ، تم تشكيل أربعة أنواع هيكلية مختلفة: قم بإغلاق تصميم أنبوبي أقل ، وتصميم خلية في السلسلة المقطوعة ، وتصميم العصر الحجري ، وتصميم الألواح المسطحة. يظهر الشكل 1.6 الرسم التخطيطي الهيكلي.