الخصائص الكيميائية الكهربائية للسيرافي المقدمة في تكنولوجيا الخلايا الوقودية

مقدمة إلى السيراميك المتقدمين في خلايا الوقود

وتمثل خلايا الوقود واحدة من أكثر تكنولوجيات الطاقة النظيفة واعدة، وتحويل الطاقة الكيميائية مباشرة إلى طاقة كهربائية عالية الكفاءة وانبعاثات منخفضة، وفي قلب العديد من نظم خلايا الوقود ذات الأداء العالي تكمن في وجود هياكل مركّبة حرجة وراثية فريدة من نوعها (تؤدي إلى تعزيز القدرة على التوليد الحراري، والمقاومة الكيميائية، وتشمل هذه المواد الخزفية عوامل الكهربية، وكميات النسيجية، ودرجة الحرارة المترابطة في مختلف هياكل الوقود.

وتُستخدم خلايا الوقود على أساس التأكسد الكهروكيميائي للوقود، أو الهيدروجين أو الهيدروكربون عادة، وتخفيض الأكسجين من الهواء، وفي خلايا الوقود الصلبة، فإن الكهربي هو ممر سماوي أقل كثافة يُحدث ارتفاعاً في درجات الحرارة يتراوح بين 600 درجة مئوية و000 1 درجة مئوية.

EIectrochemical Properties of Ceramic Materials

ويتوقف أداء السيراميات المتقدمة في خلايا الوقود على عدة خصائص الكهروكيميائية مترابطة، تشمل السلوك الأيوني، والسلوك الإلكتروني، والنشاط الحفاز لرد فعل الكهرودين، والاستقرار الكيميائي في جو التشغيل، والتوسع الحراري في التوافق مع عناصر الخلايا الأخرى، ويجب أن تُحدَّد كل عقار على النحو الأمثل للدور المحدد الذي تؤديه الخواص المشتركة بين خلايا الوقود والهيدرويد.

Ionic Conductivity

أما السلوك الأيوني فيتمثل في قدرة السيراميك على نقل الأيونيات من خلال بطانة البلورة تحت ملعب كهربائي مطبق أو صنف محتمل كيميائي، وفي مركبات فولطية سوفلورية، يجب أن يُظهر الكهرباء قدرة عالية على معالجة الأكسجين مع كونه كثيفاً بما يكفي لمنع تداعيات الغاز.

وتشمل المواد البديلة للكهرباء الإسناد المشبعة بالزئبق والسعرية المشبع بالفلور، التي تظهر قدرة على التصرف في الهواء أعلى من سرعة الانتقال في المنطقة المتوسطة (500-700 درجة مئوية) غير أن الكهرباء القائمة على أساس الإسمية عرضة للتصريف الإلكتروني في ظل ظروف تقل فيها درجة الحرارة في الأنهار، مما يمكن أن يقلل من كفاءة استخدام أجهزة الترميز في هذه المادة.

السلوك الإلكتروني

وتنشأ القدرة على التصرف في السيراميات الإلكترونية عن حركة الإلكترونية أو الثقوب الكهربائية من خلال المواد، وفي خلايا الوقود، تعتبر السمية الإلكترونية أساسية بالنسبة للكهرباء - الكمود والتنويم - لجمع الكترونات الحالية وتسليمها إلى مواقع التفاعل الكهروكيميائي.

ويزداد استخدام أجهزة التحكم المتميزة في التحلل الأيوني - الإليكترونية مثل الأسمدة الكوبالتية في الأنتونيوم (LSCF) وخطابات الكوبالت الرئويين (BSCF) في إطار المقياس الإلكتروني الموسّع (0.C) وتُحدّد هذه المواد من الأكسجين والكهرباء، حيث تتجاوز نطاق الصبغة الكهربية المكوّية المكوّثومة (00).

النشاط الحفاز

أما فيما يتعلق بالنقل الأيوني والإلكتروني، فإن السيراميات المتقدمة المستخدمة ككهرباء يجب أن تحفز ردود الفعل الكهروكيميائية، وفي حالة حدوث انخفاض في التعاطي مع المواد الكيميائية، فإن رد فعل النيكلية المحتوية على النيتروجينية، وينطوي على تآكل في كل من النيتروز، كما أن نشاط النيك المغناطيسي المحسن يؤدي إلى انخفاض في درجة الحرارة، ولكنه يعاني من سوء السلوك الأيوني.

القابلية للاختزال الكيميائي

وتُستخدم خلايا الوقود في بيئات كيميائية قاسية: فالكثود معرض لتأكسد الهواء عند درجات الحرارة العالية، بينما تُحدِّد الاتصالات بين الأنود غازات الوقود التي تحتوي على الهيدروجين أو أول أكسيد الكربون أو الهيدروكربونات، وتحتاج المواد السامة المتقدمة إلى مقاومة التحلل التدريجي، وتطويع المكونات، وردود الفعل مع المكونات الخلوية الأخرى، مثلاً، يمكن للإدارة السليمة بيئياً أن تتفاعل مع منطقة اليزو في درجات حرارة العالية مع مراحل الضغط الثانوية.

العوامل التي تؤثر على الأداء الكيميائي الكهربي

إن الخواص الكهروكيميائية للسيراميات المتقدمة ليست ثابتة في جوهرها ولكنها تعتمد بشدة على التكوين المادي والهياكل الدقيقة وظروف التشغيل، ففهم هذه المعالين يتيح للباحثين والمهندسين أن يصمموا السيراميات اللازمة لتصميمات خلايا الوقود ونظم التشغيل المحددة.

تكوين المواد

فالتحويل والاستبدال هما أداتان أساسيان لضبط السلوك والاستقرار، وفي الكهروليتات القائمة على الزرنيخ، يؤثر حجم الهيمنة والتركيز على طبقة البطاطس والطاقة الكنسية، ويؤثران مباشرة على السلوك الأيوني، كما أن التكاثر الكهرومغناطيسي في مواقع الكبريت يمكن أن يؤدي إلى الحد من التركزات وتعزيز السلوكيات المؤينة.

الهياكل الأساسية الدقيقة

ويؤثر حجم الجاذبية، والسخرية، ومراحل الحدود، والتوزيع المكاني للمراحل على السلوك الكهروكيميائي، وفي الكهربيات، والكثافة العالية، والسخرية المنخفضة، على منع تسرب الغاز، بينما يمكن لحجم الحبوب أن يزيد من مقاومة الحد من الغازات إذا ما انفصلت المراحل الثانوية عن الحدود، ومن الضروري وجود بنية مصغرة متجانسة ذات حجم عالٍ، وذلك من أجل زيادة عدد مواقع الرد على الزئبق

درجة الحرارة التشغيلية

ويتوقف أداء خلايا الوقود بدرجة عالية على درجة الحرارة بسبب طبيعة الرهينوس التي تتسم بها السمنة الأيوني ودرجة حرارة الكهروود، كما أن الوصلات الحرارية التي تُعتبر أقل من 700 درجة مئوية، إلا أن ارتفاع درجات الحرارة يُسرع في التدهور من ردود الفعل بين الوجوه، والعزل التدريجي، والتدوير الحراري.

الغازات الغلاف الجوي والضغط

كما أن تركيب وضغط مجرى الوقود والجوي يؤثران تأثيرا مباشرا على الأداء الكهرمكيميائي، كما أن وجود أوجاع مثل H2S أو HCl أو السيلوكينات قد يؤدي إلى تسمم مواقع الحفز وعناصر السرامة المتدهورة، كما أن التسمم بالكبريت يشكل تحديا خاصا بالنسبة للأنوف القائمة على النيكل، مما يتطلب بدائل للضغط على الخلايا الارتدادية الحاد أو اليأس.

التحديات الحالية والتوجيهات البحثية

وعلى الرغم من التقدم الكبير، لا تزال هناك تحديات عديدة قبل أن تتمكن السيراميات المتقدمة من إتاحة تسويق تكنولوجيات خلايا الوقود على نطاق واسع، وهذه التحديات تشمل الأداء المادي، وإمكانية التصعيد الصناعي، وتكامل النظم، وتوضح الفروع التالية القضايا الرئيسية والجهود البحثية الجارية.

آليات التحلل

(أ) يتطلب التشغيل الطويل الأجل (الهدف 000 40 ساعة للتطبيقات الثابتة) السيراميات التي تقاوم عدة أنماط للتحلل.() ويمكن لموصلات أوكسجين أن تشهد تحولاً تدريجياً: يمكن أن تخضع هذه السلاسل للتحلل من التراكب إلى المونوكب في إطار الإجهاد الميكانيكي أو التدوير الحراري، مما يقلل من السلامة الميكانيكية.

انخفاض درجة الحرارة التشغيلية

(ب) من أكثر مجالات البحث نشاطاً تطوير المواد السهرية التي تحافظ على أداء عالي عند درجة حرارة 500-700 درجة مئوية أو حتى أقل (300-500 درجة مئوية بالنسبة لخلايا مشغلة بالبروتون) مما يقلل من معدلات التدهور ويتيح استخدام خطوط الحد الأدنى من الصلب غير القابل للذوبان (بدرجة حرارة منخفضة)

مواد وأعمارية

أما فيما عدا المزادات والفلورية التقليدية، فإن الباحثين يستكشفون هياكل ذاتية مثل مراحل السطو على الوردين، والاختناق، والأوكسيدات ذاتية الصبغة، التي تُعدّ مصممة على أساس الترسبات، والتي تُعدّ مواداً ذاتية الصبغة الارتجاعية، والتي يمكن أن تكون معتمدة على التوجه في الأفلام المنسوجة، وعلى سبيل المثال، فإن مادة لا2NiO4++ هي مرحلة من حيثيات الارتجات

التصنيع وخفض التكاليف

أما بالنسبة لخلايا الوقود السائلة التي تتنافس مع توليد الطاقة التقليدية، فلا بد من انخفاض تكاليف التصنيع، إذ إن التجهيزات المتحركة تنطوي عادة على تداخل شديد الحرارة (1200-1500 درجة مئوية)، وهو أمر يتطلب استخداماً كثيفاً للطاقة ويتطلب خطوات متتالية مكلفة، كما أن خفض درجات الحرارة المتقطعة من خلال استخدام أدوات التخميد، والطرق البديلة للتجهيز مثل تركيب البلازما، أو الارتداد المتفاعل هو مجال نشط من عوامل التكلفة.

مرونة الوقود والتسامح إزاء النقاء

To broaden the applicability of fuel cells, ceramics must tolerate a range of fuels beyond pure hydrogen, including natural gas, biogas, and diesel reformate. Internal reforming hydrocarbons directly on the anode cancration of system design but introduces risks of carbon dedestable deduking) on nickel incentives. Ceramic anoactant to coking include dotrontium titanate)

التوقعات المتعلقة بالسيراميات المتقدمة في مجال تكنولوجيات خلايا الوقود

إن السيراميات المتقدمة هي العمود الفقري لخلايا الوقود ذات الحرارة العالية، التي توفر مسارات الأيون والإلكترونية اللازمة لتحويل الطاقة بكفاءة، ويستلزم التفاعل بين التركيبة والهياكل الدقيقة وظروف التشغيل تحديد الخصائص الكهروكيميائية التي تحكم الأداء والقدرة على الاستمرار، بينما تظل المنطقة والشبكة المحلية للأخشاب المدارية ذات الصلة بالوقود، وهي مشهد ثري من المواد البديلة - التي تستخدم في إنتاج المواد الكهربائية ذات الصبغة الاصطناعية، والمرونية.