1 / 31

Solid oxide

Solid oxide. مقدمه. پيل سوختي يک وسيله الکتروشيميايي است که انرژي شيميايي را به انرژي الکتريکي تبديل مي کند و از الكتروليت ، الكترود آند و الكترود كاتد تشكيل شده است . تاریخچه. پيل‌سوختي اکسيد جامد : 1965 ميلادي : توليد اولين سري پيل ‌سوختي اكسيد جامد توسط آرچر

nikki
Download Presentation

Solid oxide

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Solid oxide

  2. مقدمه پيل سوختي يک وسيله الکتروشيميايي است که انرژي شيميايي را به انرژي الکتريکي تبديل مي کند و از الكتروليت، الكترود آند و الكترود كاتد تشكيل شده است.

  3. تاریخچه • پيل‌سوختي اکسيد جامد: • 1965 ميلادي:توليد اولين سري پيل ‌سوختي اكسيد جامد توسط آرچر • توجه: توان پيل 100 وات و الكتروليت آن زير‌كونياي پايدار شده توسط كلسيم و الكترودها از جنس پلاتين

  4. نحوه عملکرد Anode: 2 H2 + 2 O2- => 2 H2O + 4 e- Cathode : O2 + 4 e- => 2 O2-

  5. رایج ترین مواد مورد استفاده برای اجزاء پیل سوختی اکسید جامد • NiO/YSZ • YSZ (yttria-stabilized zirconia) • LSM/YSZ (Lanthanume Strontium Manganite-LSM)

  6. پيل هاي سوختي اكسيد جامد با الكتروليت هاي سراميكي هادي يون اكسيژن، تكنولوژي اي پاك و با آلودگي پايين براي توليد برق با بازده بالا محسوب مي شود. مزاياي اين پيل هاي سوختي شامل بازده بالا، قابليت اطمينان زياد، مدولار بودن،قابليت كار با سوختهاي مختلف و ميزان پايين آلاينده هاي توليدي سبب جايگاه ويژه آنها در دنيا شده است. دماي عملكردي بالاي اين پيل ها سبب توانايي كاركرد آنها با انواع سوختهاي هيدروكربن دار نظيرگاز طبيعي، اتانول، متانول، گازوئيل و بيو گاز بدون نياز به رفورمر خارجي گران قيمت و همچنين توانايي استفاده بصورت هيبريدي با ديگر سيستمهاي توليد توان شده است.

  7. بازده بالاي پيل سوختي اكسيد جامد نسبت به دیگر منابع توليد توان

  8. انواع پيل هاي سوختي اكسيد جامد از نظر ساختار سل و نوع طراحي، پيل هاي سوختي اكسيد جامد را مي توان به دو دسته عمده طراحي لوله اي و طراحي صفحه اي تقسيم بندي نمود. در طراحي لوله اي، الكترودها و الكتروليت به شكل يك لوله و يا يك جعبه قرار گرفته اند. در برخي از اين طراحي ها، الكتروليت و يا يكي از الكترودها نقش پايه را دارد و در برخي ديگر لوله اي جدا اين نقش را بر عهده دارد. طراحي لوله اي خود به دو دسته جريان بالا و ولتاژ بالا تقسيم مي شود .ساختار لوله اي سل امكان آب بندي آسان را فراهم نموده است. در طراحي صفحه اي الكترودها و الكتروليت به صورت تخت بر روي هم قرار مي گيرند. اين نوع طراحي خود به دو دسته طراحي دايره اي و مستطيلي تقسيم مي گردد.

  9. چگالي توان نوع صفحه اي بيشتر از نوع لوله اي است . در طراحي لوله اي به علت مسيرهاي هدايت الكتريكي طولاني تر، افت ها بيشتر بوده و ماكزيمم چگالي توان آنها محدود به ٢٥٠ تا ٣٠٠ ميلي وات بر سانتيمتر مربع است. نوع صفحه اي بدليل داشتن مسيرهاي هدايت كوتاهتر از توان بيشتري برخوردار است. چگالي توان بالا و هزينه ساخت كمتر، سبب توجه ويژه اي به اين نوع از پيل سوختي شده است . هرچند مشكل اساسي در اين نوع از پيل سوختي، آب بندي است .

  10. مقايسه بين انواع لوله اي و صفحه اي پيل سوختي اكسيد جامد

  11. انواع ساختارهای پيل های سوختی نوع مسطح از نظر نوع تکيه پيل های سوختی اکسيد جامد را می توان به دو دسته خود پايه تقسيم بندی نمود. در نوع خود پايه، يکی از اجزای پيل سوختی، وظيفه تکيه گاه ساختاری سل را (External supporting) بر عهده دارد. بنابراين تک سل می تواند آند تکيه، کاتد تکيه و يا الکتروليت تکيه باشد. در ساختار تکيه خارجی، کل سل به صورت لايه نازک بر روی اتصال دهنده ها Interconnect)) با يک زيرلايه (Substrate) متخلخل قرار می گيرد.

  12. يک مقطع از پيل سوختي اکسيد جامد لوله اي با ريفرمينگ داخلي غير مستفيم در فشارهاي متوسط و بالا، سرعت ريفرمينگ متان کمتر مي شود و در نتيجه افت دمايي کمتري در ورودي ريفرمر ايجاد مي شود. افزايش فشار با افزايش انرژي گيبس واکنش الکتروشيميايي و در نتيجه افزايش ولتاژ بازگشت پذير و همچنين با کاهش افت پتانسيل غلظتي، ولتاژ نهايي توليدي پيل را افزايش مي دهد.

  13. كاربردهاي پيل سوختي اكسيدجامد • كاربردهاي ساكن • كاربردهاي حمل نقل متفرقه • كاربردهاي پرتابل

  14. توسعه پيل سوختي اكسيد جامد از نظر فعاليت بر روي SOFC قاره اروپا با حدود ٣٥ درصد بيشترين سهم را به خود اختصاص داده است. آمريكا شمالي مقام دوم را دارد. همانطور كه در شكل ديده مي شود، حدود ١٩ درصد فعاليت ها مربوط به كمپاني ها هستند كه اعتقاد دارند كه تجارتشان جهاني است و به كشور خاصي محدود نيست. يافته ها نشان مي دهد كه حدود يك سوم فعاليتها در زمينه تحقيق و توسعه است .حدود ٤٢ درصد آنها، به عنوان تجاري شدن به آن مي نگرند. در مقايسه با PEM كه حدود ٧٥ درصد از فعاليتها بر روي تجاري شدن است.

  15. توسعه در آمريكا شركت هاي آمريكايي تحت برنامه SECA بر روي توسعه سيستم هاي پيل هاي سوختي اكسيد جامد صفحه اي به ظرفيت ٣ تا ١٠ كيلووات كه قابليت تركيبي تا ظرفيت MWرا داشته باشد، با هزينه ٤٠٠ دلار به ازاي هر كيلووات گذاشته اند. جدول زير، اهداف برنامه فوق را نشان مي دهد.

  16. توسعه در آمريكا • Acumentrics • اين كمپاني بر روي ساخت SOFC هاي لوله اي با كاربرد UPS و سيستمهاي CHP كار • مي كند. محصولات اين شركت را مي توان به ساخت سيستمهاي ٥ و ١٠ كيلووات اشاره نمود. • Technology Management, Inc. (TMI) • اين شركت از سال ١٩٩٠ بر روي توسعه و ساخت سيستمهاي مختلف SOFC مشغول است. تمركز اصليTMI بر روي ساخت پيل هاي سوختي اكسيد جامد صفحه اي دايره اي است. اين شركت تاكنون موفق به ساخت و توسعه استك هاي ١ و ٣ كيلوواتي كه با سوختهايي نظير پروپان، گاز طبيعي، اتانول، بيوگاز، گازوئيل و روغن گياهي كار مي كنند، شده است. • Mesoscopic Devices • اين شركت به ساخت سيستم توليد توان زير ١ كيلووات SOFC براي كاربردهاي متحرك مشغول است.

  17. توسعه در آمريكا • Ztec • اين شركت در سال ١٩٨٤ و با هدف پيشرفت و توسعه سيستمهاي پيل سوختي اكسيد جامد تاسيس شد.Ztecكارهاي گسترده اي را براي توسعه و ساخت سيستمهاي هيبريد SOFC توسعه و ساخت يك سيستم تركيبي ٢٥ كيلووات SOFC با چيلر جذبي، از جمله كارهاي اين شركت است. اين شركت اخيرا بر روي توسعه و ساخت يك سيستم هيبريد ٢٠٠ كيلووات SOFC با توربين گاز كار مي كند. • Honeywell (GE) • شركتHoneywell با همكاري GE از سال ٢٠٠٢ به صورت جدي كار بر روي ساخت سيستم هاي پيل سوختي اكسيد جامد را شروع كرد. عمده فعاليت آنها در ساخت استك ها با ظرفيت ٣ تا ١٠ كيلووات و رفورمرهاي سوخت متمركز شده است.اين شركت بر روي پيل هاي سوختي اكسد جامد از نوع صفحه اي كار مي كند.

  18. توسعه در آمريكا • Delphi • اين شركت توسعه SOFC با هدف كاربرد متحرك آن دنبال مي كند. Delphi در سال ٢٠٠٠ كار خود را بر روي ساخت APU پنج كيلوواتي براي وسايل نقليه شروع نمود. نسل اول اين APU ٢٠٤ كيلوگرم وزن و ١٥٥ ليتر حجم داشت. در نسل هاي بعدي آن، وزن و حجم به طور قابل توجهي كاهش يافت.

  19. توسعه در اروپا • FZJ • يكي از پيشرو و مهمترين موسسات در زمينه توسعه SOFC ،FZJ آلمان است. FZJ ، تحقيق بر روي پيل هاي سوختي اكسيد جامد را از سال ١٩٩٠ با كار در زمينه الكتروليت نازك آغاز نمود. اين شركت در زمينه ها و كاربردهاي مختلفي از SOFC فعاليت نموده است. • Siemens-Westinghouse • زيمنس-وستينگهاوس سيستم ١٠٠ کيوواتی خود را با ١١٥٢ سل لوله اي ( قطر ٢/ ٢ سانتی متر و طول مفيد ١٥ سانتی متر) در ١٢ رديف ساخته است. اين سيستم در هلند به مدت ٢ سال با گاز طبيعی و با بازده ٤٧ درصد کار کرد. اين سيستم همچنين برای توليد تقريبا ٨٥ کيلووات آب داغ جهت استفاده سيستم گرمايش محلی بکار رفت و قابليت ترکيب با توربين گاز را نيز دارد. سيستم ترکيبی توربين گاز SOFC - دارای بازده ای درحدود ٧٠ درصد می باشد. (استک SOFC حدود ٢٠٠ کيلووات و توربين گاز حدود ٥٠ کيلووات) برق توليد کرده است.

  20. توسعه در اروپا • Wartsila • شركت Wartsila در فنلاند در سال ٢٠٠٠ ، تحقيق و توسعه را بر روي سيستم هاي SOFC تجاري براي توليد برق و APU را آغاز نمود. اين شركت تست استك هاي ١تا ٥ كيلووات را به اتمام رسانده است. اين موسسه همچنين با همكاري شرك VTT يك واحد ٢٠ كيلوواتي را توسعه دادند. • Rolls Royce • به توسعه استك هاي نوع صفحه اي مشغول است. اين موسسه در سال ٢٠٠٥ استك تحت فشار ٦ /١٣ كيلووات را ساخت. همچنين در سال ٢٠٠٦ واحد ٨٠ كيلوواتي با فشار ٧ بار را توليد نمود. هم اكنون مشغول كار بر روي سيستم تركيبي ١ مگاواتي است.

  21. توسعه در اروپا يكي ديگر از كشورهاي با سابقه در زمينه پيل سوختي اكسيد جامد، روسيه است. آنها نمونه ١ كيلووات نوع لوله اي در سال ١٩٨٩ ساختند. سل ها داراي چگالي توان ٢/ ٠ وات بر سانتي متر مربع بوده و در دماي ٩٠٠ درجه كار مي كردند.

  22. توسعه در آسيا در آسيا سه كشور، ژاپن، استراليا و كره جنوبي به صورت عمده بر روي SOFC كار مي كنند. شركتهاي Toky Gasو J-Powerژاپن ، از سال ١٩٨٩ با همكاري شرك Mitsubishi با تحقيق بر روي ساخت SOFC نوع صفحه اي كار خود شروع كردند. شركت Tokyo Gas ساخت استك ٣ كيلوواتي صفحه اي را با موفقيت انجام داده است. يكي ديگر از موسسات فعال در زمينه پيل سوختي اكسيد جامد، شركت استراليايي Ceramics fuel cells limited است CFCL .از سال ١٩٩٢ در زمينه پيل سوختي اكسيد جامد فعاليت مي كند. عمده فعاليت اين شركت در زمينه ساخت پيل هاي سوختي اكسيد جامد صفحه اي (هم الكتروليت پايه و هم آند پايه) است. CFCL در سال ١٩٩٨ ، استك ٥ كيلووات و در سال ٢٠٠٠ ، استك ٢٥ كيلووات پيل سوختي اكسيد جامد را با موفقيت تست نمود.

  23. SOFC توسعه چگالي توان

  24. مزایا • به مونوکسید کربن و دی اکسید کربن حساس نیستند • دمای عملکرد بالا باعث افزایش راندمان می شود • بحث خوردگی ندارد • دما بالا،بنابراین کاتالیست گرانقیمت نمی خواهد • نیازی به تزریق الکترولیت نیست • به دلیل جامد بودن کل قسمت ها قابل ساخت به شکل های مختلف است.

  25. معایب • کاربرد محدود به دلیل دمای عملکرد بالا • زمان راه اندازی طولانی • در شروع کار مصرف انرژی زیاد • مشکل آب بندی • تنش های حرارتی

  26. نتيجه گيري توسعه تك سل پيل سوختي سوختي اكسيد جامد به طور عمده در دو نوع لوله اي و صفحه اي انجام مي گيرد. چگالي توان پايين نوع لوله اي سبب شده كه از آنها تنها در كاربردهاي ساكن توليد برق استفاده شود. در حاليكه از نوع صفحه اي در بسياري از كاربردهاي متحرك استفاده مي شود. مطالعات نشان داده كه عمده كاربردهاي پيل سوختي اكسيد جامد دركاربردهاي ساكن كوچك شامل واحدهاي ساكن مورد استفاده براي تامين برق خانگي، كاربردهاي صنعتي و كاربردهاي نظامي است. عمده فعاليت هاي صورت گرفته روي پيل سوختي اكسيد جامد در حوزه تحقيق و توسعه است و موسسات بسياري در نقاط مختلف جهان بر روي توسعه آن كار مي كنند. از لحاظ ميزان فعاليت قاره اروپا، بيشترين سهم را به خوداختصاص داده است.

  27. مقايسه پيلهاي سوختي آلي

  28. مراجع 1- S.C. Singhal, Solid oxide fuel cells for stationary, mobile, and military applications, Solid State Ionics 152–153 (2002) 405– 410. 2- www.fz-juelich.de 3- D. Herman, Assessment of Solid Oxide Fuel Cell Technology Comparison of Alternative Design Approaches, Report, EPRIsolutions, Inc., 2002. 4- N. Sammes, A. Smirnova, O. Vasylyev," Fuel Cell Technologies: State and Perspectives", Springer, 2005. 5- S. C. Singhal, Solid Oxide Fuel Cells For Clean and Efficient Power Generation, Pacific Northwest National LaboratoryRichland,Boston, 2003. 6- S.C. Singhal and K.Kenda, "High Temperature Solid Oxide fuel Cell, Fundamental, Design and Application", Elsevier Advanced Technology, The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford OX5, UK, 2003.

  29. 7- G. Crawley, Opening doors to fuel cell commercialization: SOFC, Fuel Cell Today – January 2007. 8- www.harc.edu/Projects/FuelCell/Reports/Equipment/FuelCell?fuelCellID=325 9- G. Tao, T. Armstrong and A. Virkar, Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell (IT-SOFC) Research and Development Activities at MSRI, Nineteenth Annual ACERC & ICES Conference, 2005. 10- www.ztekcorp.com 11- www.tmifuelcellsystems.com 12- S. Shaffer, Development update on Delphi's solid oxid fuel cell system, SECA Review Meeting, Boston, 2004. 13- www.ecn.nl

More Related