موضوع مقاله: الکترولایزر اکسید جامد | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # الکترولایزر اکسید جامد | مقدمه: تاریخچه فناوری سلول الکترولیز اکسید جامد (SOEC) به عنوان جایگزین برای الکترولیز آلکلاین در دهه 1980 توسعه یافت.استفاده از SOEC برای اولین بار جهت الکترولیز کردن گاز CO2 به منظور تولید CO اما به دلیل قیمت پایین سوخت فسیلی، توسعه SOEC در سال 1990 متوقف شد. | ## بخش 1: الکترولایزر اکسید جامد | از مزایای SOEC می توان به مواردی مانند کاهش میزان جریان الکتریسته مورد نیاز با افزایش دما جهت آبکافت آب که منجر به کاهش هزینه تولید هیدروژن، سریع بودن واکنش تشکیل هیدروژن. همچنین در صورت استفاده از انرژی هسته‌ای و یا انرژی خورشیدی به عنوان منبع تامین کننده انرژی حرارتی ، می توان تا حد زیادی قیمت و بازده هیدروژن تولیدی را بهبود بخشید. نحوه عملکرد بخار آب از سمت کاتد متخلخل وارد میشود.و در فصل مشترک کاتد - الکترولیت به گاز هیدروژن و یون‌های اکسیژن تبدیل می شود. یون های اکسیژن از داخل الکترولیت متراکم به سمت آند حرکت می کنند.در قسمت آند، یون‌های اکسیژن به گاز اکسیژن تبدیل می شوند. همانطور که ملاحظه می‌شود افزایش دما منجر به کاهش انرژی الکتریکی مورد نیاز می‌شود ولی میزان کل انرژی ثابت است بنابراین SOEC دما بالا یک فرصتی جهت استفاده از انرژی‌های حرارتی تلف شده در صنایع ایجاد می‌کند. اجزاء SOEC اجزای اصلی SOEC عبارت اند از: الکترولیت متراکم، آند و کاتد متخلخل می‌باشد.که باید دارای ویژگی های مانند: پایداری شیمیایی بالا الکترودها در محیط های اکسیدی و احیایی. الکترولیت الکترولیت باید متراکم، دارای هدایت یونی بالا، پایداری شیمیایی بالا و الکترولیت بایددر برابر گازها نفوذناپذیر باشد تا ازهر گونه واکنش بینH2 و O2 جلوگیری کند.رایج‌ترین ماده استفاده شده برای الکترولیت SOEC زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا (YSZ )می باشد که دارای هدایت یونی و استحکام مکانیکی مناسبی می باشد.البته زیرکونیای دوپ شده با Sc2O3دارای بالاترین هدایت یونی است.اما به دلیل قیمت بالای آن در سیستم های دما بالا استفاده نمی‌شود. آند مواد مناسب‌ برای‌ آند SOEC عبارت اند از: فلزات نجیب مانند: نقره و پلاتین اکسیدهای هادی الکتریسیته به دلیل‌قیمت بالای فلزات نجیب از آن‌ها استفاده نمی شود فقط از یک سری اکسیدهای هادی جریان الکتریسیته استفاده می‌شود. | ## بخش 2: الکترولایزر اکسید جامد | دارای هدایت الکتریکی و خاصیت کاتالیستی مناسبی برای اکسید کردن یون اکسیژن می باشد. کاتد متداول ترین ماده که به عنوان کاتد استفاده می شود، نیکل دوپ شده در YSZ است.در فشار های جزئی بخار بالا و فشار جزئی هیدروژن پایین در سطح مشترک Ni-YSZ باعث اکسیداسیون نیکل می شود که منجر به تخریب کاتالیزور می شود. مطالعات اخیر نشان داده‌اند که دوپینگ LSM با اسکاندیم تحرک یون‌های اکسید را در کاتد افزایش می‌دهد، در نتیجه منجر به افزایش راندمان در دماهای پایین نسبت به LSM شده است. مواد جدیدی مانند لانتانیم استرانسیم منگنز کرومات (LSCM) در حال توسعه هستند که ثابت شده است که در شرایط الکترولیز پایدارتر است. کاربرد SOEC در تولید سوخت، بازیافت دی اکسید کربن و سنتز مواد شیمیایی کاربرد دارند. علاوه بر تولید هیدروژن و اکسیژن،SOEC می تواند برای تولید گاز سنتز با الکترولیز کردن بخار آب و دی اکسید کربن استفاده شود. MIT با موفقیت دستگاهی را که در آزمایش اکسیژن ISRU مریخ استفاده شده بود، روی مریخ نورد استقامت به عنوان وسیله ای برای تولید اکسیژن برای مواد غذایی و پیشران موشک‌ها آزمایش کرد. در آوریل 2021 ناسا ادعا کرد که با موفقیت 5 گرم اکسیژن در مریخ از CO2 جو مریخ تولید کرده است. | ## بخش 3: الکترولایزر اکسید جامد | شرایط عملیاتی ماژول های SOEC می توانند در سه حالت مختلف کار کنند: گرمازا، گرماگیر و گرما خنثی . در حالت گرمازا دمای قفسه ای سلول های SOEC در حین کار افزایش می یابد و از این گرما برای پیش گرمایش گاز ورودی استفاده می شود. در حالت گرماگیر، افزایش مصرف انرژی گرمایی و کاهش مصرف انرژی الکتریکی و تولید هیدروژن خواهیم داشت.در حالت سوم گرما خنثی است که در آن گرمای تولید شده تلف می شود از آنجایی که مقداری تلفات حرارتی وجود دارد، یک منبع گرمای خارجی مورد نیاز است. همچنین پایداری طولانی مدت، انعطاف پذیری سوخت، آلایندگی کم و هزینه های عملیاتی کم است. با این حال، بزرگترین نقطه ضعف دمای عملیاتی بالا آن است که منجر به طولانی شدن زمان راه اندازی و زمان خرابی می شود. دمای عملیاتی بالا همچنین منجر به مشکلات سازگاری مکانیکی مانند عدم تطابق انبساط حرارتی و مسائل پایداری شیمیایی مانند انتشار بین لایه‌های مواد در سلول می‌شود.به دلیل برگشت پذیری ذاتی واکنش های شیمیایی، فرآیند هر پیل سوختی می تواند معکوس شود. با این حال، یک پیل سوختی معین معمولاً برای کار در یک حالت بهینه شده است و ممکن است به گونه ای ساخته نشده باشد که بتوان آن را به صورت معکوس کار کرد. پیل‌های سوختی که به صورت معکوس کار می‌کنند ممکن است سیستم‌های بسیار کارآمدی ایجاد نکنند، مگر اینکه برای این کار ساخته شده باشند، مانند سلول‌های الکترولیز اکسید جامد، الکترولیزهای فشار بالا ، سلول‌های سوختی احیاکننده یکپارچه و سلول‌های سوختی احیاکننده . | ## جمع‌بندی | لایه لایه شدن نتیجه افزایش فشار جزئی اکسیژن بالا در سطح مشترک الکترولیت - آند است.