تجزیه و تحلیل سل‌های پیل سوختی و الکترولیز اکسید جامد که در یک اتمسفر سیستم واقعی عملیاتی شده‌اند

تشخیص وضعیت سلامت، حالت‌های خرابی، مواجهه با استهلاک و بازیابی عملکرد

خلاصه:

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) : سل‌های اکسید جامد (SOC[1]) نقش مهمی در چشم‌اندازهای استراتژیک برای دستیابی به کربن‌زدایی و معرفی رویکردهای خنثی آب و هوایی دارند. این فناوری با قابلیت تنوع سوختی خود به سرعت مورد توجه محققان در سراسر جهان قرار گرفته است. با توجه به انعطاف‌پذیری زیاد SOCها نسبت به سوخت‌های قابل استفاده، نه تنها هیدروژن، بلکه از بیوگازها، گاز طبیعی، دیزل و بسیاری از سوخت‌های معمولی و جایگزین می‌توان استفاده نمود. این امر باعث می‌شود که SOCها با منابع سوخت پایدار متنوع برای تولید برق یا تولید سوخت‌های ارزشمند مانند گاز سنتز در هنگام استفاده از برق تجدیدپذیر ترکیب شوند. در این مقاله، خواننده مروری بر دانش موجود در مورد سیستم‌های پیل سوختی اکسید جامد (SOFC[2]) و الکترولیز اکسید جامد (SOE[3]) و نحوه عملکرد ایمن آنها در دراز مدت، با تمرکز ویژه بر محیط‌های عملیاتی دنیای واقعی فراهم نموده است. هم استفاده و هم تولید سوخت‌های تجاری واقعی، در نظر گرفته شده‌اند. حالت‌های مختلف خرابی می‌توانند در طول عملیات سیستم تحت شرایط دنیای واقعی ظاهر شوند و طول عمر SOC را کاهش دهند، جنبه‌ای که به‌طور گسترده در این مقاله مروری مورد بحث قرار گرفته است. در ابتدا، بحث مفصلی از تفاوت بین سوخت‌های بدون کربن و سوخت‌های حاوی کربن با در نظر گرفتن ناخالصی‌های مختلف و تأثیرات آن‌ها بر عملکرد، پایداری و طول عمر SOC ارائه می‌شود. در مرحله دوم، شرایط عملیاتی نامطلوب ارائه شده و احتمالات برای شناسایی اولیه حالت‌های مختلف خرابی بررسی گردیده است. مروری بر ابزارهای تشخیصی مرسوم و غیر متعارف موجود و کاربردهای آنها در اینجا ارائه شده است. به‌طور کلی، این مقاله مروری دستورالعملی را برای همه مسائل مربوط به استهلاک مرتبط با SOCهایی که در یک محیط دنیای واقعی کار می‌کنند، ارائه می‌نماید و توضیح می‌دهد که: (i) چگونه این مسائل ظاهر می‌شوند و چگونه می‌توان آنها را درک نمود، (ب) چگونه آنها پیش‌بینی می‌­شوند، (iii) چگونه آنها شناسایی می‌شوند و (iv) نحوه جلوگیری از آنها، همچنین، در صورت لزوم، نحوه معکوس کردن آنها بررسی شده است. برای دستیابی به این هدف، فصل‌های جداگانه به‌طور خاص به حالت‌های شکست، پیش‌بینی تخریب، پیشگیری از تخریب و بازسازی عملکرد می‌پردازند. دانش لازم در مورد پایداری عملیات بلند مدت و کوتاه مدت و تخریب دریک خلاصه فشرده به خواننده ارائه می‌شود. دانش موجود در مورد فرکانس‌های خاص فرآیند در یک نمودار خلاصه شده است، که یکی از نتایج نوآورانه‌­ی این پژوهش است. این داده­‌ها محققین را قادر می‌سازد تا به سرعت تمام مکانیسم‌های فرآیندی را با SOFCها و SOEC[4]ها شناسایی کنند. علاوه بر این، پیشنهاداتی برای چگونگی جلوگیری از تسریع تخریب و چگونگی بازسازی عملکرد در چندین جدول خلاصه شده است.

نتیجه‌گیری:

این مطالعه با در نظر گرفتن مسائل مرتبطی که هنگام کارکرد سل اکسید جامد تحت شرایط عملیاتی واقعی رخ می‌دهد در کنار راهکارهای مواجهه با آنها، مروری فشرده از آخرین پژوهش‌های موجود را ارائه می‌نماید. این مرور برای محققان، توسعه‌دهندگان و اپراتورهای سیستم مفید است، زیرا یک نمای کلی از:

• حالت‌های مختلف خرابی،
• مکانیسم فرآیند‌هایی که رخ می‌دهند و پیش‌بینی آن‌ها،
• همچنین راه‌هایی برای انجام شناسایی اولیه حالت‌های مختلف شکست،
• و کاهش تخریب و افزایش طول عمر از جمله بازسازی را ارائه می‌دهد.

 تمرکز این مطالعه بر شرایط واقعی مرتبط با سیستم، یعنی سوخت‌های تجاری و بخار، CO₂، CO و الکترولیز است. با توجه به تأثیر آنها بر عملکرد SOC و مورفولوژی سیستم در حال اجرا، سه موضوع اصلی تخریب تعیین شد که عبارتند از:

• ناخالصی‌های موجود در گاز و هوا،
• گونه‌های کربنی موجود در بسیاری از سوخت‌های معمولی و جایگزین،
• و تمایل الکترودهای مبتنی بر نیکل به آسیب اکسیداسیون و تجمع.

ناخالصی‌ها (به عنوان مثال، ترکیبات S، Cl، P، Si) در گاز خوراک به‌عنوان عوامل موثر بر عملکرد SOC و مورفولوژی الکترود سوخت شناسایی شدند. حتی زمانی که در غلظت‌های کم چند ppb وجود داشته باشند، تأثیر مخربی بر سطح الکترود وارد می‌کنند که منجر به آسیب آن می‌شود. همین امر در الکترود هوا در حضور Si، Cr یا S مشاهده می‌شود که به‌عنوان آلاینده‌های اصلی در سمت هوا تشخیص داده می‌شوند. علاوه بر ناخالصی‌ها،گازهای خوراک حاوی کربن می‌توانند تشکیل کربن و رسوب بعدی آن را روی سطح الکترود سوخت و در کانال‌های متخلخل آغاز کنند. اگر نسبت S/C زیاد باشد این اتفاق می‌افتد. در منابع موجود، مقدار 2=S/C به عنوان یک مقدار مرزی بین محیط عملیاتی بدون کربن و القای کربن پذیرفته شده است. با این حال، بسیاری از مطالعات عددی و تجربی نشان می‌دهد که این مقدار می‌تواند به‌طور قابل توجهی به‌عنوان تابعی از ترکیب سوخت، دمای عملیاتی، چگالی جریان عملیاتی و مصرف سوخت متفاوت باشد. محیط عملیاتی همچنین بر تأثیر ساختاری کربن تشکیل شده تأثیر می‌گذارد و در اجزای سوخت کربن‌دار (CO، CH₄، C_xH_y) و غلظت آنها نقش اصلی را ایفا می‌کنند. آخرین مسئله‌ای که بر عملکرد سیستم واقعی تأثیر می‌گذارد، اکسیداسیون Ni و تجمع Ni است. اکسیداسیون نیکل در صورتی رخ می‌دهد که غلظت گونه‌های اکسید کننده (H₂O، O₂، CO₂) در گاز خوراک در مقایسه با اجزای سوخت (H₂، CO و CH₄) خیلی زیاد باشد. مصرف زیاد سوخت (بیش از 90 درصد) و چگالی جریان عملیاتی بالا که برابر با مقدار بالای O₂ است از علل اکسیداسیون نیکل هستند. دمای عملیاتی 300 درجه سانتیگراد به عنوان یک مقدار آستانه در نظر گرفته می‌شود. با این حال، از آنجایی که SOC در دمای بیش از 600 درجه سانتیگراد کار می‌کند، تمایلش به اکسیداسیون نیکل معمولاً زیاد است. علاوه بر این، یکی دیگر از مکانیسم‌های تخریب معمولی که بر الکترودهای نیکل تأثیر می‌گذارد، تجمع نیکل است که در نتیجه دمای عملیاتی بالا و شرایط عملیاتی سخت ظاهر می‌شود و به نظر اجتناب‌ناپذیر است.این مطالعه همچنین (i) راهی برای درک مکانیسم‌ فرآیند‌هایی که در SOCها رخ می‌دهد و (ii) نیز روشی برای پیش‌بینی خرابی‌های غیرمنتظره به خواننده ارائه می‌نماید. برای این منظور می‌توان از رویکردهای مختلفی استفاده نمود: (i) مدل محور، (ب) داده محور و (iii) تست استرس شتاب یافته[5]. بر اساس نتایج بررسی جامع منابع موجود، می‌توان ادعا نمود که پیش‌بینی‌های عملکرد که تنها مبتنی بر مدل عمل می‌کنند، هنوز نادرست هستند، زیرا تعداد زیادی پارامتر باید تعریف شده و در نظر گرفته شوند که این‌ها را نمی‌توان به طور دقیق تعیین نمود. به نظر می‌رسد دقت پیش‌بینی رفتار SOC با ترکیب رویکردهای عددی و تجربی افزایش می‌یابد. یک روش امیدوارکننده که می‌توان اتخاذ نمود، تست استرس شتاب‌یافته با تمرکز بر پیش‌بینی طول عمر مفید باقی‌مانده است. با اتخاذ این روش، حالت‌های مختلف تخریب به‌ طور خاص (به عنوان مثال، افزایش غلظت آلاینده‌های خاص در گاز سوخت) در سیستم‌های SOC در حال اجرا القا می‌شوند. علاوه بر این، تاثیر تخریب موثر را می‌توان با استفاده ازمدل‌های AST[6] مناسب تعیین نمود. در این مطالعه، نتایج AST موجود برای هر دو حالت عملیاتی SOFC و SOE خلاصه گردیده و بینشی دقیق در مورد عوامل استرس‌زا و تأثیر آنها بر رفتار SOC ارائه شده است.با این دانش در مورد حالت‌های مختلف شکست و راه‌های پیش‌بینی آنها، گزینه‌های شناسایی وضعیت سلامت تحلیل گردیده است. بررسی گسترده مقالات نشان داد که می‌توان بین استراتژی‌های مرسوم و غیر متعارف تفاوت قائل شد. متداول‌ترین ابزار مورد استفاده، طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی است. این روش قبلاً در مطالعات متعددی اعمال شده است؛ با این حال، اغلب تفسیر نتایج به دست آمده آسان نیست. با در نظر گرفتن این موضوع، توزیع زمان‌های آرامش به دست آمده با استفاده از این ابزار پیچیده توجه روزافزونی را به خود جلب می‌کند و اطلاعات دقیق‌تری در مورد مکانیسم‌ فرآیند‌هایی که در طول عملیات رخ می‌دهد ارائه می‌دهد. با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری موجود در مقالات که با استفاده از ابزارهای SoH[7] معمولی به‌دست آمده‌اند، محدوده‌ای فرکانسی برای هر مکانیسم فرآیندی که می‌تواند در SOFC و SOE رخ دهد ارائه گردیده است و به شکل یک نمودار نشان داده شده است. این یک مزیت بزرگ برای عملیات SOC سیستم واقعی و همچنین تحقیقات علمی است. علاوه بر این، به نظر می‌رسد ابزارهای معمولی برای تحلیل فرآیندها در سیستم‌های ثابت و بدون عیب مناسب‌تر باشند. با توجه به وضعیت خطا، زمانی که حالت پایدار و تعادل سیستم مختل می‌شود، به نظر می‌رسد روش‌های غیر متعارف برای نظارت بر عملکرد مناسب‌تر باشند. ابزارهای تشخیصی نامتعارف نیاز به تجزیه و تحلیل سیستم غیرخطی دارند و متداول‌ترین روش مورد استفاده، آنالیز انحراف هارمونیک کل[8] است. این روش می‌تواند برای جمع‌آوری داده‌های لازم، سریعتر از ابزارهای معمولی استفاده شود، بنابراین زمان اندازه‌گیری را تا بیش از 20 برابر کاهش می‌دهد. با این وجود، تفسیر داده‌های به‌دست‌آمده هنوز چالش برانگیز است و تحقیقات بیشتری در آینده برای دستیابی به پتانسیل کامل روش THD مورد نیاز است که به نظر می‌رسد قابل توجه باشد. در این مرور، دانش موجود ساختاربندی شده و نحوه آشکارسازی رایج‌ترین خرابی‌های SOC گزارش گردیده است.در مرحله نهایی که نیاز برای اطمینان از عملیات ایمن و طولانی مدت دارد، با تمرکز بر استراتژی‌های بازسازی، احتمالات کاهش تخریب و افزایش طول عمر بررسی شده است. ناخالصی‌های موجود در گاز سوخت و هوا (به عنوان مثال، Si، S) باید قبل از ورود به SOC حذف شوند، زیرا مورفولوژی الکترود را کاملاً تغییر می‌دهند، باعث آسیب دائمی به مواد مورد استفاده می‌شوند و هیچ استراتژی بازسازی در اینجا موجود نیست. توسعه مواد و پوشش‌های نسل جدید برای الکترودهای معمولی می‌تواند راه حل‌های مناسبی برای کاهش تخریب نامطلوب باشد،اما این امر هزینه‌ها را افزایش می‌دهد. راه حل‌های عملی برای رایج‌ترین آسیب الکترود ارائه شده است. به منظور جلوگیری از اکسیداسیون مجدد نیکل، غلظت H₂O و CO₂ در گاز سوخت باید به حداقل برسد و در عین حال غلظت H₂، CO و CH₄ حفظ شود. علاوه بر این، از وجود O₂ خالص، به‌عنوان مثال، به دلیل نشتی، باید در گاز سوخت اجتناب شود. مصرف سوخت نیز باید کمتر از 90 درصد حفظ شود. امکان دیگر‌کنترل چگالی جریان است، زیرا چگالی جریان بالا برابر با غلظت بالایO^2- است و لایه عاملیت الکترود را اکسید می‌کند. به منظور مهار رسوبات کربن، غلظت C_xH_y در گاز سوخت باید به حداقل برسد. کاهش غلظت CH₄ در دماهای بالاتر و کاهش غلظت CO در دمای عملیاتی پایین‌تر مفید است. علاوه بر این، به نظر می‌رسد مصرف سوخت بیشتر و چگالی جریان عملیاتی بالاتر به کاهش رسوب کربن کمک می‌کند. به نظر می‌رسد کاهش تخریب الکترود هوا هنگام کاهش مقدار کروم موجود امکان‌پذیر باشد، که به راحتی با استفاده از هوای خشک که از تبخیر کروم از اتصالات داخلی جلوگیری می‌کند، امکان‌پذیر است. مسمومیت Si الکترود هوا را می‌توان با حفظ آب‌بندی شیشه‌ای مورد استفاده کاهش داد.به طور کلی، نتایج این بازبینی، دستورالعملی را برای محققان، توسعه‌دهندگان و اپراتورها در مورد عملکرد ایمن و طولانی مدت پیل و سیستم ارائه می‌دهد.

[1] Solid Oxide Cells

[2] Solid Oxide Fuel Cells

[3] Solid Oxide Electrolysis

[4] Solid Oxide Electrolysis Cells

[5] Accelerated stress testing

[6] Accelerated stress testing

[7] State of Health

[8] Total harmonic distortion analysis (TDH)

:source

             Suboti, V.; Hochenauer, C. Analysis of solid oxide fuel and electrolysis cells operated in a real-system environment: State-of-the-health diagnostic, failure modes, degradation mitigation    and performance regeneration. Progress in Energy and Combustion Science. 2023, 93, 101011

ترجمه و ویرایش : علیرضا دهقان