Comprehensive Guide to Solid Oxide Fuel Cells (SOFC): PrinciplesوMaterials, and Applications.

مقدمة إلى لجنة الخدمة المدنية الدولية

التعريف والميزات الرئيسية

خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFCs) هي نوع متطور من خلايا الوقود التي تولد الكهرباء من خلال التفاعل الكهروكيميائي بدلا من الاحتراق. على عكس أساليب توليد الطاقة التقليدية، فإن SOFCs تحقق كفاءة أعلى مع إنتاج انبعاثات أقل.

تختلف SOFCs عن خلايا الوقود الأخرى في قدرتها على العمل فيدرجات حرارة عالية (من 700 إلى 1000 درجة مئوية))، مما يعزز معدلات التفاعل ويلغي الحاجة إلى حفّازات المعادن الثمينة باهظة الثمن. وهذا يجعلها بديلاً فعالاً من حيث التكلفة لحلول توليد الطاقة على المدى الطويل.

المزايا الرئيسية للمركز:

1. تعدد استعمالات الوقود-يمكن أن تعمل مركبات الكربون الهيدروفلورية SOFCs بوقود متعدد، بما في ذلك الهيدروجين، والغاز الطبيعي، والغاز التركيبي، والغاز الحيوي، وغير ذلك من المواد الهيدروكربونية، مما يسمح لها بالتكيف مع مختلف البنى الأساسية الإقليمية للطاقة.

2. الكفاءة العالية-يمكن أن تحقق مستويات كفاءة50%-60%في وضع مستقل، وما يصل إلى85% في تطبيقات الحرارة والطاقة المجمعة (CHP).

3. الحد الأدنى للأثر البيئي· عند العمل باستخدام الهيدروجين، لا تبعث مركبات الكربون الهيدروفلورية SOFCs إلا بخار الماء كناتج ثانوي، مما يجعلها محلول طاقة نظيفة. وحتى عند استخدام الوقود الهيدروكربوني، فإنه ينتج انبعاثات كربونية أقل بكثير من النظم التقليدية القائمة على الاحتراق.

4. عمر تشغيلي طويل· مع وجود عدد أقل من الأجزاء المتحركة وبناء الحالة الصلبة، فإن عمر مركبات الكربون الهيدروفلورية SOFCs يتوقع أن يتجاوز40,000 ساعةمما يجعلها أكثر متانة من خلايا الوقود الأخرى.

5. قابلية التوسع· مركبات الكربون الهيدروفلورية SOFCs مناسبة لتطبيقات تتراوح بينوحدات طاقة سكنية صغيرة الحجم إلى محطات طاقة صناعية كبيرة.

How SOFCs Work:إنElectrochemical Process (باللغة الإنجليزية)

تستخدم SOFCs إلكتروليت خزفي صلب لتسهيل حركةأيونات الأكسجين (O² ²) من الكاثود إلى الأنود. وتتمثل آلية العمل الأساسية فيما يلي:

1. جزيئات الأكسجين من الهواء تدخل الكاثودوتختزل إلى أيونات أكسجين (O²).

2. هذه الأيونات الأكسجين تسافر عبرمحلول أكسيد صلبنحو الأنود

3. عند الأنود،الوقود (الهيدروجين أو الهيدروكربونات) يتفاعل مع أيونات الأكسجينوتنتج الكهرباء والحرارة والماء.

4. الإلكترونات تتدفق من خلال دائرة خارجية، وتولدالطاقة الكهربائية القابلة للاستخدام.

هذه العملية هي أساسا عكس التحليل الكهربائي للمياه، مما يجعل SOFCs مناسبة لكليهماتوليد الطاقة وإنتاج الهيدروجين) (عندما تعمل في الاتجاه المعاكس كأجهزة خاصة).

SOFC Structural Component and Their Roles (باللغة الإنجليزية)

ويتكون كل مركز من مركز العمليات الخاصة منوحدة خلية وقود مفردة (تعرف أيضا بالخلية المفردة))، والتي تشمل المكونات الرئيسية التي تحدد كفاءتها ومتانتها وأدائها. تم تصميم هذه المكونات لتسهيل أكسدة الوقود بكفاءة مع الحفاظ على استقرار التشغيل العالي.

1. الأنود (موقع أكسدة الوقود)

• الأنود هو المسؤول عنأكسدة الوقودعن طريق التفاعل مع أيونات الأكسجين.

• يجب أن تمتلكموصلية إلكترونية وأيونية عاليةلتسمح بنقل إلكترون سلس.

• الأنود يجب أن يقاومتراكم الكربون والتسمم بالكبريتخاصة عند استخدام الوقود الهيدروكربوني.

• مواد الأنود الشائعة:

• النيكل/الزركونيا المثبتة(نيي/YSZ):مادة الأنود الأكثر استخدامًا.

• مواد تعتمد على الفروسكيات (La act, بجمهورية act, بجمهورية act, بجمهورية act:أكثر مقاومة لترسيب الكبريت والكربون.

2. الكاثود (موقع تقليل الأكسجين)

• الكاثود يمكّنكجزيئات الأكسجين لاكتساب الإلكترونات وتشكيل أيونات الأكسجين.

• يجب أن يكون لديه شيء ليفعلهنشاط تبادل الأكسجين السطحي العاليلرد الفعل الحركي السريع.

• مواد الكاثود الشائعة:

• فيريت الكوبالت السترونتيوم لانثانوم-المعروف بارتفاع أسعار صرف الأوكسجين.

• الكاثود القائم على بيروفسكيتي-توفير أداء كهروكيميائي محسن.

3. الإلكتروليت (متوسط توصيل الأيونات)

• الدور الأساسي للإلكتروليت هوتنقل أيونات الأكسجين من الكاثود إلى الأنودمع منع تسرب الإلكترون.

• يجب أن يكون كذلكمستقر كيميائيا في درجات حرارة عاليةو لديهمتوصيل كهربائي منخفضلضمان تدفق الأيونات بكفاءة.

• مواد الإلكتروليت الشائعة:

• شركة ييتريا -زركونيا المثبتة:الكتروليت الأكثر استخداماً يعمل بكفاءة أعلى800 درجة مئوية.

• مرض الغادولينيوم المخدر:مادة واعدة لمركبات الكربون الهيدروفلورية SOFCs المنخفضة الحرارة (600 درجة مئوية -800 درجة مئوية).

4. وصلات ومانع التسرب

• التوصيلات البينيةربط خلايا SOFC متعددة لتشكيل a.المكدسمما يزيد من انتاج الطاقة

• موانع التسربضمانالتشغيل المانع لتسرب الغازومنع تدهور الأداء.

أنواع SOFC Architectures

وتمنح تصاميم SOFC المختلفة مزايا مختلفة حسب احتياجات التطبيق.

1. SOFCs.

• مميزات أأسطواني، هيكل يشبه الأنبوب.

• المزايا:

• أعلى استقرار ميكانيكي.

• تسهل غلق الغاز.

• العمر التشغيلي الطويل.

• العيوب:

• غالية الثمن

• كثافة طاقة أقل من SOFCs.

2. وحدات SOFCs المستوية

• الاستخداماتألواح خزفية مسطحة مكدسة مع بعضهالتعظيم كثافة الطاقة.

• المزايا:

• عالي الكفاءة و مخرجات الطاقة.

• سهولة التوسع للتطبيقات الصناعية.

• العيوب:

• من الصعب الحفاظ على مانع تسرب الغاز.

• إلى مشاكل تدوير الحرارة

3. أنبوب مسطح SOFCs.

• هجين من SOFCs أنبوبي ومستوي.

• المزايا:

• المتانة الميكانيكية المحسنة.

• كثافة طاقة معتدلة

• العيوب:

• عملية تصنيع أكثر تعقيدا.

تطبيقات SOFC: توليد الطاقة ما بعد

تعمل مراكز الطاقة المركزية على إحداث ثورة في قطاعات الطاقة من خلال توفير الطاقةحلول لتوليد الطاقة عالية الكفاءة وقليلة الانبعاثاتعبر مختلف الصناعات.

1. توليد الطاقة الموزعة

تستخدم SOFCs على نحو متزايدتوليد الطاقة في الموقعبسببكفاءة عالية وانبعاثات منخفضة.

• الفوائد الرئيسية:

• يزيل فقدان نقل الطاقة

• يقلل من الاعتماد على شبكات الطاقة المركزية.

• يتيح الجمع بين تطبيقات الحرارة والطاقة (CHP).

• أمثلة واقعية:

• خادم الطاقة بلوم-يستخدمهجوجل، أبل، و إيبايمن أجلطاقة النسخ الاحتياطي لمركز البيانات.

• Chaozhou Sanhuan 100 kW SOFC Project--إظهار الجدوى التجارية في الصين.

2. النقل: SOFCs في المركبات والسفن

ويجري دمج تكنولوجيا SOFC فيالمركبات الكهربائية (EVs) والتطبيقات البحريةللحد من انبعاثات الكربون.

• المركبات التي تعمل بالهيدروفلوروكربون:

• سيارات SOFC المستندة إلى الإيثانولتم تطويره في اليابان بواسطةمسافة 600 كم.

• SOFC للتطبيقات البحرية:

• سامسونج للصناعات الثقيلة) إدماج SOFCs في نظم دفع السفن لأغراض النقل البحري الخفيض الانبعاثات.

3. محطات الطاقة واسعة النطاق

• تغويز الفحم + أنظمة SOFC (IGFC)) لتحسين الكفاءة أثناء تسجيل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

• Mitsubishi Hitachi 1MW SOFC System (باللغة الإنجليزية)· مشروع واسع النطاق لاستخدام مركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية يظهر كفاءة عالية في استخدام الطاقة.

4. إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب

• تسمح تقنية SOEC للتحليل الكهربائي للماء بإنتاج الهيدروجين بكفاءةفي85%-95%..

• يستخدم لتخزين الطاقة المتجددةلموازنة تقلبات العرض والطلب.

التحديات والابتكارات المستقبلية

على الرغم من المزايا العديدة التي تتمتع بها هذه التكنولوجيا، إلا أنها تواجه العديد من العقبات التي لابد من التغلب عليها من أجل تحقيق اعتمادها على نطاق واسع.

1. التحديات التقنية

• يعمل التشغيل عالي الحرارة على تعقيد اختيار المواد والمتانة على المدى الطويل.

• يمكن أن تسبب مشاكل تدوير الحرارة تدهور المواد مع مرور الوقت.

• ولا يزال منع استخدام مركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية ذات الحرارة العالية يشكل تحدياً كبيراً.

2. استراتيجيات خفض التكاليف

• تطوير مواد منخفضة التكلفة وعالية الأداء.

• زيادة الإنتاج لخفض التكاليف.

• تحسين تقنيات التصنيع لتحسين الكفاءة.

استغلال SOFC التجاري واتجاهات السوق

مع تحول الطلب على الطاقة نحوتقنيات أنظف وأكثر كفاءة)، فإن SOFCs تكتسب زخما كبيرا في مختلف الصناعات. وتستثمر شركات الطاقة الرائدة والشركات البادئة في البحوث والتسويق لجعل تكنولوجيا مركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية أكثر قابلية للتطبيق في التطبيقات واسعة النطاق.

1. لعب مع Key Players in the SOFC Industry

العديد من الشركات حول العالم تعمل على تقدم SOFC:

• Bloom Energy (الولايات المتحدة الأمريكية)

• متخصص فيتوليد الطاقة الموزعة التجارية والصناعية القائمة على معامل الكبريت من غاز ثاني أكسيد الكربون.

• لقد نشر أكثر منقدرة 350 ميغاواط من SOFC.لشركات مثل غوغل، أبل، و وول مارت.

• صناعات ميتسوبيشي الثقيلة (اليابان)

• يركز علىمحطات توليد الكهرباء IGFC المتكاملة (خلية وقود التغويز المتكامل).

• نجح في تطوير أ1 ميغاواط SOFC نظامللتطبيقات واسعة النطاق.

• بوش (ألمانيا)

• التطورات10 كيلوواط من نظم التوليف للحرارة والطاقةللأعمال الصغيرة.

• استثمر بكثافة فيطاقة سيريسوهي شركة تقنية SOFC مقرها المملكة المتحدة.

• كيوسيرا (اليابان)

• متخصص فيمركز العمليات الخاصة السكنية(700W وحدة) مع a.عمر أكثر من 12 سنة.

• قوة ويشاي (الصين)

• تطوير جهازنظام SOFC مدعوم بالمعادن بقوة 120 كيلوواطمع كفاءة قياسية تبلغ92.55 ٪ في وضع CHP..

هذه الشركات تدفع الابتكار من خلال تحسينالمتانة والكفاءة وقابلية التطوير)، مما يجعل التكنولوجيا أكثر توافرا لتطبيقات أوسع.

2. الدعم الحكومي والسياسات الحكومية

وتدعم عدة بلدان البحوث المتعلقة بالمركبات SOFC وتسويقها من خلال السياسات والإعانات:

• الولايات المتحدة:تمول وزارة الطاقة أبحاث SOFC في إطارتحالف تحويل الطاقة في حالة المواد الصلبةبرنامج.

• اليابان: The مبادرة ENE-FARM.) على تحسين كفاءة استخدام الطاقة في المنازل.

• ألمانيا:توفير حوافز لنظم الطاقة الحرارية المجتذبة القائمة على SOFC لتحسين كفاءة الطاقة الصناعية.

• الصين:الحكومة حددتSOFCs كتكنولوجيا رئيسية) بموجب المادةخطة تطوير خلايا الهيدروجين والوقود.

3. تقليل التكلفة والتوسع

على الرغم من التطورات الأخيرة، لا يزال تسويق SOFC يواجه تحديات تتعلق بما يليتكاليف التصنيع المرتفعة and تحلل الموادمع مرور الوقت. ويركز الباحثون والمهندسون على ما يلي:

• تطوير مواد جديدة وفعالة من حيث التكلفةلتحل محل الخزف الباهظ الثمن.

• تحسين تصميمات مكدس SOFC.لتعزيز كثافة الطاقة ومتانتها.

• زيادة الإنتاجلخفض التكاليف من خلال وفورات الحجم.

SOFC في اقتصاد الهيدروجين وتخزين الطاقة المتجددة

1. خلايا التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب لإنتاج الهيدروجين الأخضر

SOECs هي امتداد لتكنولوجيا SOFC، تعمل فيوضع الرجوع للخلفلينتجواالهيدروجين من الماءباستخدام الكهرباء المتجددة. هذا النهج هو مفتاح الحلانقطاع الطاقة المتجددةالقضايا.

• كيفية عمل سوك:

• يستخدم درجات حرارة عالية (700 درجة مئوية -900 درجة مئوية) لتقسيم جزيئات الماء إلىالهيدروجين (جيم للمداخن) والأكسجين (جيم للمداخن).

• المنجزاتكفاءة أعلى (85 ٪ -95 ٪)مقارنة بالتقليدات التقليديةالتحليل الكهربائي القلوي أو المجهز الكهرومغناطيسي (70 في المائة).

• تطبيقات هيدروجين SOEC:

• يمكن أن يكون الهيدروجينيتم تخزينها وتحويلها مرة أخرى إلى كهرباءعند الحاجة.

• يستخدم كـمادة وسيطة لإنتاج الأمونيا أو الميثانولفي الصناعة الكيميائية.

• يمكنلتحل محل الوقود الأحفوري في تصنيع الصلب) وغيرها من الصناعات الكثيفة الاستهلاك للطاقة.

• اتجاهات التبنّي لدى المجلس الاقتصادي والاجتماعي:

• أوروباتستثمر بكثافة فيالبنية التحتية للهيدروجينحيث تتصدر ألمانياوادي الهيدروجينالمبادرة.

• الصينيستكشفمحطات التزود بالوقود الهيدروجيني تعمل بطاقة SOECلسيارات خلايا الوقود.

• اليابانهل دمج SOEC مع لها؟استراتيجية الاقتصاد الهيدروجينيدعم تخزين الطاقة المتجددة.

التحديات التي تحول دون تسويق SOFC التجاري

وعلى الرغم من الإمكانات الهائلة لتكنولوجيا هذه المركبات، فإنها لا تزال تواجه تحديات تقنية وتجارية كبيرة يجب التصدي لها من أجل تحقيقهااعتماد على نطاق واسع.

1. ارتفاع درجة حرارة التشغيل وتدهور المواد

• تعمل مراكز SOFCs بين700 درجة مئوية و 1000 درجة مئويةتتطلبمواد مقاومة للحرارةالتي لا تتحلل مع مرور الوقت.

• الأسباب الحرارية للدورانالإجهاد الميكانيكي)، مما يؤدي إلى عطل مادي في دورات التدفئة والتبريد المتكررة.

الحلول المحتملة:

• --تطويرSOFCs متوسطة الحرارةالتي تعمل في500 درجة مئوية -700 درجة مئويةاستخدامالشوارد المصنوعة من السيريوم.

• التعزيزاستقرار المحفزلمنع تدهور القطب الكهربائي.

2. ارتفاع تكاليف التصنيع والمواد

• تتطلب نظم SOFC ما يليمواد خزفية عالية النقاءمما يزيد من تكاليف الإنتاج.

• ولا يزال تصنيع المكدس قائمامركبةتحد من قابلية الإنتاج الضخم للتطوير.

استراتيجيات خفض التكاليف:

• البحث فيأرخص، مواد الكترود عالية الأداءمثلالبروفسكيتس.

• استخدامSOFCs المدعومة بالمعادنبدلاً من السيراميك المدعوم.

• التحسينالإنتاج الآليلتقليل تكاليف العمل.

3. وقت بدء التشغيل ومرونة التحميل

• على عكس خلايا وقود PEM، SOFCs.من عدة دقائق إلى ساعاتللوصول إلى درجة حرارة التشغيل.

• إنها ليست مثاليةتغيير سريع للحمل)، والحد من استخدامها في تطبيقات الهواتف المحمولة.

التحسينات المحتملة:

• --تطويرالنظم الهجينة لتقوية مركز القواتمع بطاريات ليثيوم أيون لموازنة الحمل الأقصى.

• التقدمتصاميم بالغة الصغرلأوقات بدء التشغيل الأسرع.

4. المتانة طويلة المدى وصيانة النظام

• تتراوح أعمار SOFC منمن 20000 إلى 40000 ساعة)، ولكن التدهور بمرور الوقت يؤثر على الأداء.

• التسمم بالكبريت و تراكم الكربونكفاءة اصطدام الأقطاب الكهربائية.

التحسينات:

• تقديمالطلاءات الواقيةإطالة عمر الخلية.

• --تطويرالأنود ذاتي التنظيفلمقاومة تراكم الكبريت والكربون.

مستقبل تكنولوجيا SOFC

1. Advanced Materials for Next-Gen SOFCs (باللغة الإنجليزية)

• محفزات بهندسة نانويةيمكن أن يحسن من معدلات التفاعل مع خفض التكاليف.

• SOFCs المدعومة بالفلزاتتوفر استقرارًا ميكانيكيًا أفضل ومقاومة للدوران الحراري.

• أنظمة SOFC-PEM الهجينةيمكن أن تسمح بانتاج طاقة أكثر مرونة.

2. التوسع في الأسواق الجديدة

• الفضاء:ناسا تستكشف مركز SOFCs.البعثات الفضائية الطويلة المدةوالقواعد القمرية.

• التطبيقات العسكرية:يوفر مركز SOFCs ما يليطاقة صامتة ومحمولةالقواعد العسكرية.

• كهربة الريف:تعمل بطاقة SOFCالشبكات الصغريةيمكن أن يوصل الطاقة إلى مواقع خارج الشبكة.

3. التكامل مع الذكاء الاصطناعي و IoT.

• على أساس الذكاء الاصطناعيالصيانة التنبؤيةيمكن أن يحسن كفاءة SOFC من خلال تحليل بيانات الأداء في الوقت الحقيقي.

• أجهزة الاستشعار يمكنها ذلكتحسين توزيع الوقود واستعادة الحرارةلأقصى قدر من الكفاءة.

خاتمة

وبدأت خلايا وقود الأكسيد الصلب في الظهورتكنولوجيا أساسية في تحول الطاقة العالميعرضالكفاءة العالية، ومرونة الوقود، والاستدامة. وتتراوح تطبيقاتهم منتوزيع توليد الطاقة ونظم الطاقة الصناعية على إنتاج الهيدروجين والنقل.

ومع ذلك،الحواجز التقنيةمثلدرجات حرارة تشغيل عالية، وتكاليف المواد، وأوقات بدء التشغيل)، لا تزال تعيق التبني على نطاق واسع. الابتكارات فيالمواد، والنظم الهجينة، والأتمتةسيكون حاسماً في جلب SOFCs إلى؟التيار الرئيسي لأسواق الطاقة.

حيث تقوم الحكومات والشركات بتسريع الاستثمارات فيهاالهيدروجين وتكنولوجيا خلايا الوقود، SOFCs من المرجح أن تلعبدور محوريفي تحقيقمستقبل خال من الكربون.

الأسئلة المتكررة

1. ما هي الميزة الأساسية لثاني أكسيد الكربون على خلايا الوقود الأخرى؟

SOFCsكفاءة أعلى (50 ٪ -60 ٪)وتستطيع استخدام أنواع وقود متعددة، بما في ذلكالهيدروجين، الغاز الطبيعي، والغاز الحيويعلى عكس خلايا وقود PEM التي تتطلب الهيدروجين النقي.

2. ما هي التحديات الرئيسية التي تواجه مراكز العمليات الخاصة؟

وتشمل التحديات الرئيسية ما يليدرجات حرارة تشغيل عالية، أوقات بدء تشغيل بطيئة، والمواد باهظة الثمن. ولا تزال الأبحاث مستمرة لمعالجة هذه القضايا.

3. هل يمكن لثاني أكسيد الكربون أن يعمل بالوقود الأحفوري؟

نعم، SOFCs يمكن استخدامهاالغاز الطبيعي و التركيبات)، ولكن يفضل استخدام الهيدروجين للحد من انبعاثات الكربون.

4. ما هو عمر نظام SOFC؟

معظم SOFCs الماضي بين20000 و 40000 ساعةمع بعض التصاميم المتقدمة التي تتجاوز60 ألف ساعة.

5. ما هي الصناعات التي تستثمر في تكنولوجيا SOFC؟

وتشمل الصناعات الرئيسية المستثمرة في SOFCs ما يليمراكز البيانات، التصنيع الصناعي، الشحن، الطيران، وإنتاج الهيدروجين.

تنزيل كتالوج المنتجات

للمزيد من النصائح والمعرفةالسيراميك مطحنة الكرات، طواحين الرمالالرجاء الاتصال بمبيعاتنا:

تشارلز شو  

مدير مبيعات |سانكسين مواد جديدة
موبايل+86 19070858212(تطبيق
البريد الإلكتروني:sales@(بالإنجليزية) beadszirconia.com

الموقع الإلكتروني:https://www.beadszirconia.com

حديقة أنيوان الصناعية، مدينة بينغشيانغ، مقاطعة جيانغشي، الصين