با توجه به چالش‌های ناشی از تغییرات اقلیمی و نیاز به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی، استفاده از فناوری‌های نوین برای تولید انرژی پاک و پایدار اهمیت فزاینده‌ای پیدا کرده است. یکی از این فناوری‌ها که در راستای تولید انرژی پاک و کاهش آلودگی‌های محیطی بسیار امیدوارکننده است، پیل سوختی اکسید جامد ([1] SOFC) است. این نوع پیل‌ها قادر به تبدیل انرژی شیمیایی موجود در انواع مختلف سوخت‌ها به انرژی الکتریکی هستند.
از طرفی هیدروژن به طور ویژه به عنوان یکی از منابع اصلی انرژی پاک در جهان شناخته شده است و در صورت استفاده در پیل‌های سوختی، به عنوان سوختی که تنها محصولات جانبی آن آب و حرارت است، به یکی از ارکان مهم در رسیدن به آینده‌ای بدون آلایندگی تبدیل می‌شود. هیدروژن از منابع تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی قابل تولید است و به عنوان ماده برای ذخیره و انتقال انرژی در مقیاس‌های بزرگ می‌تواند نقش حیاتی ایفا کند.
پیل‌های سوختی اکسید جامد به ویژه به دلیل توانایی در استفاده از هیدروژن و دیگر سوخت‌ها، به یک گزینه مهم برای تولید برق با کارایی بالا و آلودگی بسیار پایین تبدیل شده‌اند. این فناوری با امکان استفاده از سوخت‌هایی مانند گاز طبیعی، بیوگاز و هیدروژن، امکان تولید برق پاک و انعطاف‌پذیر در مقیاس‌های مختلف را فراهم می‌آورد. در این مقاله، به بررسی ساختار، عملکرد، مزایا و چالش‌های فناوری SOFC پرداخته می‌شود و همچنین نقش هیدروژن به عنوان سوخت اصلی در این سیستم‌ها مورد توجه قرار خواهد گرفت.
عملکرد پیل سوختی اکسید جامد
پیل سوختی اکسید جامد یک تجهیز مبتنی بر فرایند الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی موجود در سوخت‌ها را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند و تنها محصولات جانبی آن آب و گرما است. این پیل‌ها می‌توانند از انواع سوخت‌ها مانند هیدروژن، گاز طبیعی و بیوگاز استفاده کنند و به همین دلیل دارای انعطاف‌پذیری بالایی هستند.
عملکرد SOFC بر اساس یک واکنش الکتروشیمیایی است که در آن انرژی شیمیایی سوخت به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. سوخت به آند پیل سوختی وارد می‌شود و در آنجا تجزیه می‌شود. این تجزیه باعث تولید یون‌های هیدروژن و الکترون‌ها می‌شود. یون‌های هیدروژن از طریق الکترولیت که معمولاً از مواد سرامیکی اکسیدی ساخته شده‌اند، به سمت کاتد حرکت می‌کنند. در کاتد، یون‌های هیدروژن با اکسیژن واکنش داده و در نهایت آب تولید می‌کنند. در این فرآیند، الکترون‌ها از مدار خارجی از آند به کاتد منتقل می‌شوند که این انتقال الکترون‌ها موجب تولید جریان الکتریکی می‌شود.
پیل‌های سوختی اکسید جامد از سه بخش اصلی تشکیل شده‌اند: الکترولیت، کاتد و آند. الکترولیت وظیفه انتقال یون‌های اکسیژن از کاتد به آند را بر عهده دارد. این الکترولیت معمولاً از سرامیک‌های اکسیدی مانند زیرکونیا تثبیت شده با یاتریم ([2] YSZ) ساخته می‌شود که به دلیل هدایت یونی بالا و پایداری در دماهای بالا، بیشتر در SOFCها استفاده می‌شود. علاوه بر YSZ، ترکیب‌هایی مانند [3] ScSZ نیز در حال تحقیق هستند تا عملکرد الکترولیت‌ها را بهبود بخشند.
کاتد، جایی است که واکنش کاهش اکسیژن رخ می‌دهد. این بخش باید هدایت الکتریکی بالا و پایداری زیادی در دماهای بالا داشته باشد. مواد رایج برای کاتد شامل ترکیب‌های مختلفی مانند LSM [4] و LSCF [5] هستند که به دلیل هدایت الکتریکی مناسب و پایداری در دماهای بالا در این بخش استفاده می‌شوند.
آند جایی است که سوخت تجزیه می‌شود و یون‌های هیدروژن و الکترون‌ها تولید می‌شوند. این بخش باید ویژگی‌هایی مانند پایداری شیمیایی و مقاومت به خوردگی داشته باشد. در بیشتر SOFCها، آند از ترکیب نیکل-زیرکونیا (Ni-YSZ) ساخته می‌شود. نیکل به عنوان کاتالیزور عمل می‌کند و YSZ به عنوان ماده ساختاری آند در دماهای بالا پایدار است.
SOFC علاوه بر عملکرد معمولی خود می‌تواند در حالت معکوس به عنوان الکترولایزر (SOEC [6]) عمل می‌کنند. در این حالت، انرژی الکتریکی به جای تبدیل سوخت به برق، برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌شود. این ویژگی در صورتی که منابع انرژی الکتریکی از منابع تجدیدپذیر مانند باد یا خورشید تأمین شود، می‌تواند به تولید هیدروژن سبز کمک کند.
برای مطالعه مقاله “مروری بر فناوری‌های الکترولیز آب برای تولید هیدروژن” اینجا کلیک کنید.
مزایا و معایب پیل سوختی اکسید جامد
پیل‌های سوختی اکسید جامد دارای مزایای قابل توجهی هستند. یکی از ویژگی‌های برجسته آن‌ها بهره‌وری بالای انرژی است. این پیل‌ها می‌توانند راندمانی در حدود 55 تا 60 درصد داشته باشند و در سیستم‌های ترکیبی تولید برق و حرارت (Combined Heat and Power) این راندمان می‌تواند به بیش از 80 درصد برسد. همچنین، زمانی که از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده شود، SOFCها آلایندگی بسیار کمی دارند و تنها آب و گرما به عنوان محصولات جانبی تولید می‌کنند.
از معایب بزرگ پیل‌های سوختی SOFC، نیاز به دماهای بالا برای عملکرد بهینه است. این دماها معمولاً در حدود 600 تا 1000 درجه سانتی‌گراد قرار دارند که می‌تواند باعث کاهش طول عمر پیل‌ها و همچنین پیچیدگی‌های بیشتر در طراحی سیستم‌های حرارتی شود. همچنین، مواد مورد استفاده در ساخت پیل‌های SOFC همچون الکترولیت‌ها و کاتدها معمولاً از مواد گران‌قیمت مانند زیرکونیا و لانتانیوم ساخته می‌شوند که می‌تواند هزینه‌های تولید را افزایش دهد.
با وجود مزایای بسیاری که پیل‌های سوختی SOFC دارند، هنوز هم چالش‌های زیادی در مسیر توسعه و تجاری‌سازی آن‌ها وجود دارد. یکی از این چالش‌ها، طول عمر محدود این پیل‌ها در دماهای بالا است. به دلیل شرایط دمایی شدید در هنگام عملکرد، مشکلاتی همچون انبساط و انقباض مواد مختلف در طول زمان می‌تواند موجب کاهش کارایی و خرابی زودهنگام پیل‌ها شود. همچنین، تولید و نگهداری مواد سرامیکی که در ساخت SOFCها استفاده می‌شوند، نیاز به فناوری‌های پیچیده و گران‌قیمت دارد.
یکی دیگر از چالش‌ها، هزینه بالای نصب و راه‌اندازی سیستم‌های SOFC است. باوجود اینکه این سیستم‌ها به‌ویژه در سیستم‌های CHP و مقیاس‌های صنعتی به‌صرفه هستند، هزینه‌های اولیه آن‌ها هنوز هم برای بسیاری از مصرف‌کنندگان بالا به‌نظر می‌رسد. از سوی دیگر، به دلیل نیاز به فراهم آوردن شرایط دمایی خاص برای عملکرد این پیل‌ها، سیستم‌های SOFC ممکن است به‌عنوان یک انتخاب مناسب برای برخی از بازارهای کوچک یا کاربردهای خانگی به‌طور مستقیم مقرون به‌صرفه نباشند.
با این حال، در سال‌های اخیر تحقیق و توسعه در زمینه بهبود مواد، کاهش هزینه‌ها، و افزایش طول عمر پیل‌های سوختی SOFC سرعت گرفته است. استفاده از فناوری‌های جدید مانند نانو مواد و بهبود فرآیندهای تولید، می‌تواند به رفع بسیاری از این چالش‌ها کمک کند و این فناوری را به یک گزینه رقابتی‌تر در بازار جهانی تبدیل کند.
نتیجه‌گیری
پیل سوختی اکسید جامد (SOFC) به عنوان یک فناوری نوآورانه در زمینه تولید انرژی، پتانسیل بالایی برای تغییر رویکردهای کنونی در تولید برق و گرما با بهره‌وری بالا و آلایندگی کم دارد. این فناوری با استفاده از سوخت‌های مختلف از جمله هیدروژن، گاز طبیعی و بیوگاز، به‌ویژه در ترکیب با سیستم CHP، می‌تواند به‌عنوان یک راه‌حل موثر در مسیر کربن‌زدایی و تولید انرژی پایدار عمل کند. از آنجا که سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن تنها محصولات جانبی مانند آب و گرما تولید می‌کنند، SOFCها به یکی از مناسب‌ترین گزینه‌ها برای تحقق اهداف جهانی کاهش آلاینده‌ها و دست‌یابی به انرژی پاک تبدیل شده‌اند.
گرچه این فناوری در حال حاضر با چالش‌هایی مانند نیاز به دماهای بالا برای عملکرد بهینه و هزینه‌های بالای تولید مواجه است، اما پیشرفت‌های علمی و تحقیقاتی در زمینه مواد و فناوری‌های مرتبط، امیدواری زیادی برای توسعه و تجاری‌سازی آن به وجود آورده است. به‌ویژه، تحقیقات در زمینه بهبود طول عمر پیل‌ها، کاهش هزینه‌های تولید و بهینه‌سازی عملکرد آن‌ها، امکان پذیرش بیشتر این فناوری در مقیاس‌های بزرگ صنعتی و تجاری را فراهم می‌آورد.
در نهایت، با توجه به قابلیت SOFCها در استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر و تولید هیدروژن سبز از طریق عملکرد معکوس SOEC، این فناوری می‌تواند نقشی اساسی در ساخت آینده‌ای بدون آلایندگی ایفا کند. به همین دلیل، انتظار می‌رود که پیل‌های سوختی اکسید جامد در آینده‌ای نه چندان دور، به یکی از ارکان اصلی سیستم‌های انرژی پایدار و کم‌کربن در سطح جهانی تبدیل شوند.
مراجع
[1] Solid Oxide Fuel Cell
[2] Yttria-Stabilized Zirconia
[3] Scandia-stabilized zirconia
[4] Lanthanum Strontium Manganite
[5] Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite
[6] Solid Oxide Electrolyzer Cell
[7] Combined Heat and Power
