مقدمه ای بر پیل های سوختی اکسید جامد

دورنما

پیل های سوختی اکسید جامد( SOFCs) کارآمدترین وسایلی هستند که تاکنون برای تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی، کشف شده اند. در اصل، ایده ی اصلی این نوع سیستم بوسیله ی نرنست و همگارانش، ارائه گردید. نرنست و همکارانش این ایده را در اواخر قرن 19 میلادی ارائه کرده اند. البته باید گفت که پیشرفت های انجام شده در این تئوری و همچنین بخش تجربی این نوع از سیستم ها در 100 سال قبل ارائه شده است.
شکل 1 شماتیک یک پیل سوختی اکسید جامد را نشان می دهد. این سیستم دارای یک الکترولیت جامد است که برای ساخت آن، از یک ماده ی سرامیکی مانند زیرکونیای پایدار شده با ایتریا( YSZ )، استفاده می شود. در دمای بین 600 تا 1000 درجه ی سانتیگراد، این ماده مانند یک رسانای یونی عمل می کند و اجازه می دهد تا اتم های اکسیژن بوسیله ی الکترون، بر روی سطح متخلخل کاتد کاهش یابند و بنابراین به یون اکسیدی تبدیل می شود و سپس از طریق بدنه ی سرامیکی به سمت نقطه ی متخلخل آندی حرکت می کند که غنی از سوخت است. این یون های اکسیدی در این نقطه با هیدروژن واکنش می دهند و الکترون های مدار خارجی نشان داده شده در شکل 1 را بدست می آورند. تنها 5 جزء برای ایجاد یک پیل کافی است: الکترولیت، آند، کاتد و دو سیم اتصال دهنده.
پیل سوختی دارای ظرافت و سادگی خاص خود است و این حیرت انگیز است که این فرایند هنوز به طور تجاری مورد استفاده قرار نمی گیرد. در صورت تجاری شدن این تکنولوژی، توانایی جایگزینی آن با موتورهای احتراقی وجود دارد و بدینوسیله میزان آلودگی شهرها کاهش می یابد. تا حد زیادی باید گفت که این شکست ها ناشی از عدم وجود دانش در مورد مواد و عدم وجود مهارت های مهندسی مورد نیاز برای توسعه ی تکنولوژی الکتروشیمیایی است. اعتقاد ما این است که دانش و تخصص هم اکنون به سرعت در حال پیشرفت است. هدف از این مقاله ارائه ی مقدماتی در مورد پیل های سوختی اکسید جامد است. این مطالب از نقطه نظر کاربردهای تجاری ارائه گشته است.
یک جنبه ی اساسی در طراحی و کاربرد پیل های سوختی اکسید جامد، گرمای تولید شده بوسیله ی واکنش های شیمیایی است که در شکل 1 قابل مشاهده نمی باشد. گرمای تولید شده در این پیل ها موجب می شود تا اتلاف های اهمی و اضافه ولتاژهای الکترودی و ... در پیل بوجود آید. این اتلاف ها در همه ی طراحی ها بوجود می آید و نمی توان آنها را حذف نمود، اما باید بوسیله ی یک سیستم مدیریت حرارتی، جمع آوری شود. در حقیقت، حرارت برای حفظ دمای عملیاتی پیل، ضروری است. مزیت پیل های سوختی اکسید جامد نسبت به سایر انواع پیل سوختی دمای بالای حرارت خروجی است که این مسئله باعث می شود، کنترل و استفاده از این نوع پیل ها ساده و اقتصادی باشد.
به دلیل اینکه الکتریسیته و حرارت هر دو محصولات مناسب و مفید پیل های سوختی اکسید جامد، هستند، بهترین استفاده آنهایی است که از هر دو فاکتور استفاده می کنند. برای مثال ترکیب محلی حرارت و توان( توان کمکی بر روی وسایل اعمال می شود)، و توان ثابت ایجاد شده از زغال سنگ که برای فرایند گازی شدن مناسب می باشد. یک سیستم پیل سوختی اکسید جامد کمکی می تواند مورد استفاده قرار گیرد و این حرارت را برای تولید آب داغ استفاده کند( کاری که هم اکنون بوسیله ی مبدل های ساده انجام می شود). در یک وسیله این حرارت می تواند برای گرم نگهداشتن راننده مورد استفاده قرار گیرد. یک سیستم ایجاد توان ثابت می تواند از خروجی گازهای گرم یک پیل سوختی اکسید جامد، به منظور گازی کردن زغال سنگ، استفاده کند. یا برای به حرکت درآوردن یک موتور گرمایی یا یک موتور توربین گازی استفاده کند.

خلاصه ی تاریخی

توسعه ی ایده های اشاره شده در بالا بیش از یک قرن پیش مطرح شده است. در سال 1890، این واقعا مشخص نبود که رسانایی الکتریکی چیست؟ الکترون هنوز شناخته شده نبود. فلزات با توجه به قانون اهم رسانا محسوب می شدند و محلول های رسانای یونی ماهیت رسانش یونی داشتند. سپس، نرنست مشاهدات شکافنده ی خود در مورد انواع مختلف رسانایی در زیرکونیای پایدار شده با اکسید کلسیم، اکسید منیزیم، اکسید ایتریم و مواد دیگری را ارائه کرد. نرنست فهمید که زیرکونیای پایدار شده در دمای اتاق یک ماده ی عایق است و یون های عامل رسانایی در شرایط گرم قرمز( از 600 تا 1000 درجه سانتیگراد) باعث ایجاد رسانایی می شوند و شرایط رسانایی یونی در حرارت سفید در حدود 1500 درجه ی سانتیگراد ایجاد می شود. او یک ثبت اختراع انجام داد که در آن از یک فیلمان زیرکونیایی در تولید لامپ الکتریکی استفاده کرد و با این ادعا که او از یک لامپ دارای فیلمان زیرکونیایی در روشنایی خانه ی خود استفاده می کند، این اختراع را فروخت. او باید از اختراع تلفن نیز ممنون باشد زیرا او را قادر ساخت تا به همسفرش تماس بگیرد و در حالی که داشت از دانشگاه به خانه باز می گشت، به او بگوید که لامپ را روشن کند. زمان گرم شدن یکی از مسائلی بود که ایجاد می شد.
فیلمان های زیرکونیایی به طور موفقیت آمیز توانایی رقابت با فیلمان های تنگستنی را نداشت و اختراع نرنست تا زمانی که در دهه ی 1930 یک مفهوم از پیل های سوختی بر پایه ی اکسید زیرکونیوم در مقیاس آزمایشگاهی مطرح نگردید، به حال خود رها شده بود( Baur و Peris توانستند این پیل سوختی را در مقیاس آزمایشگاهی تولید کنند. آنها از یک بوته ی ساخته شده از زیرکونیای پایدار شده با 15 % ایتریا به عنوان الکترود استفاده کردند. آهن یا کربن به عنوان آند مورد استفاده قرار گرفت و مگنتیت( Fe3O4) به عنوان کاتد. هیدروژن یا کربن مونوکسید به عنوان سوخت در داخل لوله و هوا نیز به عنوان عامل اکسید کننده در خارج لوله قرار داشت. 8 سلول به طور سری به هم متصل شده بودند تا اولین پیل سوختی را ایجاد کنند. آنها توانستند از این پیل الکتریسیته بگیرند و این تفکر را ایجاد کردند که این نوع از پیل ها توان رقابت با پیل های دیگر را دارد. اما قبل از این که این کار امکان پذیر باشد، باید چند مسئله اصلاح می شد. مثلا فرایند تولید الکترولیت در مراحل اولیه بود و نیاز به بهینه سازی داشت مخصوصا تولید الکترولیت های نازک به منظور کاهش مقاومت سلول از مقدار 2 اهم، یکی از موارد مهم محسوب می شد. علاوه بر این، الکترودها نیز ناقص بودند مخصوصا Fe3O4 مورد استفاده به عنوان کاتد که به سرعت اکسید می شد. همچنین دانسیته ی توان کوچک بود و این مسئله موجب می شد تا ما مجبور باشیم آرایه ای از پیل ها را مورد استفاده قرار دهیم. ایجاد ارتباط میان سلول های زیاد، آگاهی هایی در زمینه ی واکنش های سوختی و عملیات های سیستمی مورد نیاز، بخش هایی بودند که نیازمند توجه بیشتری هستند.
در دهه ی 1950 بود که کارهای تجربی بر روی دیسک های پرس شده یا ریخته گری شده از زیرکونیای پایدار شده با ایتریا انجام شد و در این زمان بود که طراحی آسان سیستم های آزمایشی که امروزه نیز مورد استفاده قرار می گیرند، توسعه یافت. وسایل مورد نیاز در شکل 2a نشان داده شده است. در این سلول ها نیاز به یک دیسک مسطح از زیرکونیای پایدار شده با ایتریاست. علاوه بر آن ما نیازمند یک آند و کاتد در هر دو سمت هستیم در داخل یک لوله ی سرامیکی آب بندی شده اند. این سیستم آب بندی شده در داخل کوره قرار داده می شود تا به حرارت قرمز شدن برسد. یک لوله ی با قطر کوچک تر به داخل لوله ی سرامیکی وارد شده است و سوخت را به داخل آند وارد می کند. لوله ای دیگر گازهای اکسیدکننده را به سمت کاتد وارد می کند. سیم های کلکتور جریان و پروب های اندازه گیری ولتاژ از سطوح الکترودها خارج شده اند. سابقا از یک صفحه ی مسطح از الکترولیت استفاده می شد. این به آسانی قابل مشاهده می باشد که چگونه بخش ولتایی این صفحه ی مسطح می تواند از صفحات با اتصال داخلی و مجزا ساخته شود. این بخش ها یک رآکتور واقعی ایجاد می کند( شکل 2a). صفحات با اتصال داخلی به طور ضروری از کلکتور جریان آندی و کلکتور جریان کاتدی تشکیل شده اند که در یک صفحه به هم متصل شده اند؛ و بنابراین دو جزء را تشکیل داده اند. علاوه براین اتصال دهنده های داخلی می تواند دارای کانال های گازی باشند. این بخش ها سوخت را به آند می رسانند و عامل اکسید دهنده را به کاتد. علاوه بر این باعث ایجاد اتصال بین کاتد یک سلول و آند سلول دیگر می شوند.
این نتیجه بدست آمده است که چندین مشکل در زمینه ی بخش های صفحه ای متصل به هم وجود دارد. به دلیل اینکه برای تولید توان بیشتر سطح این بخش ها بزرگتر می شود( علاوه بر سطح آنها باید بخش های آب بندی اطراف لبه ها نیز بزرگتر ساخته شوند)، پس عدم تطابق در ضریب انبساط حرارتی میان این بخش ها، موجب می شود تا ترک ایجاد شود. در نتیجه طراحی های لوله ای دارای موفقیت بزرگی در سال های اخیر شده اند. به هر حال پیکربندی نشان داده شده در شکل 2 در بخش بعدی مورد بررسی قرار می گیرد. این نوع پیکربندی به تعداد فراوان تولید شده است.

سنسورهای زیرکونیایی برای اندازه گیری اکسیژن

یک پیل سوختی اکسید جامد هم اکنون در هر خودرو وجود دارد. این وسیله، سنسور اکسیژنی است که در داخل مانیفولد اگزوز جاسازی شده است. بوسیله ی این قطعه میزان اکسیژن سیال خروجی که به داخل کاتالیزور اگزوز وارد می شود، کنترل می شود. ترکیب شیمیایی این سیال باید در نزدیکی یک ترکیب استوکیومتری کنترل شود تا کاتالیست در حالت بهینه ی خود کار کند. زیرکونیای پایدار شده با ایتریا( YSZ) عموما به عنوان الکترود مورد استفاده قرار می گیرد زیرا این ماده اکسیژن را به خوبی تشخیص می دهد. عموما پوشش پلاتینی بر روی سطح این ماده سرامیکی پوشش داده می شود( این کار با استفاده از جوهرهای مخصوص انجام می شود).
در طراحی اصلی که در دهه ی 1970 مورد استفاده قرار گرفت، پیکربندی مشابه با طراحی Baur و Preis بود. یک لوله ی از جنس YSZ که دارای 8 % ایتریا بود، پرس شده و در دمای 1500 درجه ی سانتگیراد زینتر می شد تا به دانسیته ی مناسب برسد. الکترودهای پلاتینی اعمال می شدند و سپس یک سرپوش فولادی بر روی آن قرار می گرفت و در داخل مانیفولد اگزوز قرار داده می شد به نحوی که YSZ + آند در داخل گازهای گرم قرار داشته باشند. هوا به عنوان مرجع اکسیژن بر روی سطح کاتد قرار داده می شد. یک اتصال سیمی ولتاژ را از الکترودهای داخلی به سیستم مدیریت انرژی انتقال می داد؛ در حالی که دیگر الکترود در شاسی ماشین جاسازی شده بود.
وقتی اگزوز گرم می شد، در بالاتر از دمای 600 درجه ی سانتیگراد، ولتاژ ایجاد شده در این سیستم نشاندهنده ی میزان اکسیژن است. از این رو این سنسور را سنسور لاندا نامیده شد. سیستم کنترل سپس از سیگنال های منتشر شده بوسیله ی سنسور اکسیژن، برای مدیریت موتور استفاده می کند و بدین صورت موتور ترکیب بهینه را به کاتالیست ارسال می کند. در طی سال ها، اصلاحات زیادی در زمینه ی این سیستم ساده انجام شده است. برای مثال یک المان گرمایی می تواند در داخل استوانه ی سرامیکی قرار داده شود تا بدین صورت حرارت دهی به سنسور سریع تر شود.
اصلاح اصلی در سال 1997، بوسیله ی Robrt Bosch انجام شد. او سنسور زیرکونیایی را به طور مجدد طراحی نمود و آن را با یک روش متفاوت تولید نمود. به جای پرس کردن لوله ی سرامیکی از پودر خشک، یک مخلوط تر از پودر زیرکونیا با افزودنی های پلیمری پوشش داده شد و مانند یک لایه ی رنگ خشک شد. این کار بر روی نوار متحرک یک ماشین ریخته گری نواری انجام شد. فیلم خشک شده دارای ضخامتی در حدود 100 میکرون بود و قبل از پرس کردن 3 یا 4 صفحه به همدیگر و تشکیل یک آرایه ی سنسوری صفحه ای، این صفحه با پوششی از پلاتین، پوشش داده می شود. صفحه ی پرس شده سپس در ابعاد مناسب، برش خورده و بعد از قرار دهی در داخل پوشش آهنی، وارد مانیفولد موتور می شود.
این فرایند مشابه فرایند تولید خازن های سرامیکی است که در صنعت سرامیک های الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرد.
چند مزیت برای این وسیله ی جدید وجود دارد:
• زیرکونیای کمتری در تولید آن استفاده شده است( حدود 2.8 گرم)
• الکترولیت سرامیکی نازک تر زمان پاسخگویی را کاهش می دهد.
• هیترها و سایر مدارها می توانند بسهولت بر روی صفحات مسطح، چاپ شوند.
یک مزیت این تکنولوژی، امکان تولید سنسورهای با پاسخ خطی به جای سنسورهای با پاسخ لگاریتمی( نوع لوله ای) می باشد و از این رو تطابق سیستم کنترل الکتریکی با سهولت بیشتری انجام می شود. این کار با استفاده از تنظیم مرجع اکسیژن در یکی از صفحات( به عنوان پمپ اکسیژنی) انجام می شود. این اکسیژن مرجع سپس می تواند از طریق یک حفره ی استاندارد در بدنه ی کاتد، تخلیه شود.
سنسورهای اکسیژن امروزه به طور گسترده در بخش های ذخیره سازی اکسیژن، در فرایند های فلزی و در کنترل شعله مورد استفاده قرار می گیرد اما بزرگترین بازار مصرف این ماده در صنعت خودروسازی است. تکنولوژی زیرکونیا برای سنسورها به طور موفقیت آمیز تجاری شده است و این مسئله باعث ایجاد نیروی محرکه در زمینه ی توسعه ی مواد مور داستفاده در پیل های سوختی شده است. تفاوت اصلی این است که خروجی توان این سنسورها به حدی کم می باشد که تنها زیرکونیای تا حدی پایدار شده، قابل استفاده است. در توان بالا، زیرکونیای کامل پایدار شده باید مورد استفاده قرار گیرد تا بدین صورت الکترولیت برای مدت زمان طولانی، قابل استفاده باشد.

میزان دسترسی به زیرکونیا و تولید این ماده

در حال حاضر بیشتر مواد الکترولیتی مورد استفاده در پیل های اکسید جامد از جنس زیرکونیای پایدار شده با ایتریاست. اگرچه سایر مواد اکسیدی نیز رسانای یونی دارند (حتی برخی مواد رسانایی بهتری نسبت به این ماده دارند)، این ماده دارای ویژگی های منحصر بفردی است که موجب شده است از آن در این کاربرد استفاده کنند. این ویژگی های منحصر بفرد عبارتند از فروانی زیاد، پایداری شیمیایی، غیر سمی بودن و صرفه ی اقتصادی. در برابر این ویژگی ها، برخی محدودیت ها نیز در استفاده از این ماده وجود دارد مانند: ضریب انبساط حرارتی بالا، مشکلات موجود در ایجاد اتصال در این ماده و مشکلات مربوط به آب بندی این ماده.
زیرکونیای پایدار شده ی با درجه ی کیفیت پایین هم اکنون دارای بازار فروش خوبی است، مخصوصا در کاربردهای دیرگداز، پوشش های دارای پیگمنت و رنگ های مورد استفاده در سفال؛ اما تنها در سال های اخیر است که زیرکونیاهای با درجه ی کیفیت بهتر برای کاربردهایی مانند ایجاد پوشش های سد حرارتی در اجزای توربین گازی، امپلنت های مفصل ران و ابزارهای برش، تولید شده است. بیشتر این تکنولوژی از مطالعه ی زیرکونیای خالص و اثرات مقادیر اندکی از مواد دوپانت بر روی ساختار کریستالی و ویژگی های این ماده، توسعه یافته است.
شکل 3 تمایل دنیا در طی زمان، به مصرف زیرکونیای پایدار شده با ایتریا را نشان می دهد. این دیده می شود که در سال 1970 تولید سالانه ی این ماده اندک بوده و همچنین قیمت آن نیز بالا بوده است. به هر حال ورود سنسورهای زیرکونیایی لاندایی به منظور کنترل گاز خروجی از اگزوز ماشین ها در دهه ی 1970، موجب شد تا میزان تولید این ماده افزایش یافته و به طبع آن قیمت آن نیز تنزل یافت. قیمت این ماده در سال 2000 در حدود 50 دلار بر کیلوگرم بوده است اما این پیش بینی شده است که در سال 2020، قیمت این ماده در حدود 13 دلار بر کیلوگرم باشد( در این زمان تولید این ماده به هزاران تن در سال می رسد). در سال 2000، کاربرد سنسورهای YSZ در جهان در حدود 500 تن تخمین زده شده است؛ اما این انتظار می رود که استفاده از YSZ در سیستم های پیل سوختی اکسید جامد در حدود سال 2010 از استفاده از این ماده در سنسورها پیشی بگیرد.
البته این تردید وجود دارد که مقادیر زیاد از زیرکونیا برای استفاده در کاربردهای پیل سوختی اکسید جامد، در سال های آینده، مورد استفاده قرار گیرد. همچنین استفاده از تیتانیا در قرن گذشته برای کاربردهای رنگ بیشتر شده است. خوشبختانه زیرکونیا یکی از مواد فراوان در پوسته ی زمین است. و درصد فروانی آن برای مثال از مس و روی بیشتر است. دخیره های فراوانی از این ماده در استرالیا، آفریقا، آسیا و آمریکا وجود دارد. این ماده معمولا به صورت مینرال سیلیکاتی وجود دارد. سیلیکات زیرکونیوم را زیرکن می نامند. از لحاظ هزینه، مشکل اصلی در خالص سازی این ماده ی معدنی است؛ مخصوصا برای جدایش سیلیس( سیلیس تمایل دارد راه های یونی و الکترونی را در سیستم های پیل سوختی، مسدود کند). یک پودر زیرکونیای مناسب برای کاربردهای الکترولیتی باید کمتر از 0.1 % وزنی سیلیس داشته باشد. سایر ناخالصی ها مانند آلومینا و تیتانیا گاز زدایی سیلیس مخرب، مفید محسوب می شوند به نحوی که میزان 0.1 % وزنی از این ناخالصی ها معمولی است. ناخالصی اصلی هافنیا است. که معمولا در حدود چند درصد وزنی از آن در زیرکونیا وجود دارد اما مشکلی ایجاد نمی کند؛ زیرا این ماده خود نیز جزء مواد رسانای یونی محسوب می شود. اغلبا زیرکونیا دارای مقادیر اندک ناخالصی ساتع کننده ی پرتوهای مخرب آلفاست و این مسئله می تواند باعث ایجاد مشکلات سلامتی در حین کار با این ماده، شود؛ اما مواد سمی قابل توجه دیگری در این ماده وجود ندارد.
در حال حاضر، ایتریا یک پایدارکننده ی متداول است( این ماده اگر چه گران قیمت تر از اکسید اسکاندیوم و ایتریبیوم است، ولی رسانایی بهتری ایجاد می کند). به طور نمونه وار، ایتریا در حدود 13-16% وزنی ( 8-10.5 درصد مولی) به زیرکونیا اضافه می شود تا بتواند پایداری کامل فاز کیوبیک را ایجاد کند. استفاده از مواد دوپانت کم یاب مانند اکسید اسکاندیوم می تواند باعث بروز مشکلات در آینده شود. به هر حال یک مشکل قابل توجه تبدیل یک ماده ی الکترولیت به یک وسیله با عملکرد خاص است.

فرایند های تولید الکترولیت با کیفیت بالا

یکی از موضوعات اصلی در پیشرفت پیل های سوختی اکسید جامد، مشکل در ایجاد یک سلول مناسب است. برای موفقیت ، الکترولیت باید دارای چندین معیار باشد:
• این ماده باید علاوه بر دانس بودن قابلیت برون دهی هوا را داشته باشد.
• این ماده باید ترکیب صحیحی داشته باشد تا رسانایی یونی خوبی در دمای عملیاتی ایجاد کند.
• این ماده باید نازک باشد تا بدین صورت مقاومت یونی اندکی داشته باشد.
• این ماده باید به نحوی قرار گیرد که ظرفیت جریان آن ماکزیمم شود.
• این ماده باید در برابر شک های حرارتی مقاوم باشد.
• این ماده از لحاظ اقتصادی، قابل تولید باشد.
این ضرورت ها به آسانی قابل تطبیق نیستند. فرایند های سرامیکی صنعتی به طور سنتی بر روی پرس خشک در قالب های فلزی یا قالب های رابری، تمرکز کرده بود. اگر چه سنسورهای زیرکونیایی با استفاده از این تکنیک ها ساخته شدند و اگر چه بیشتر تحقیقات آکادمیک از این روش استفاده می کنند، اما تهیه ی دیواره های نازک از جنس زیرکونیا با استفاده از این روش ها مشکل است. در دهه ی 1960، یک طراحی لوله ای با استفاده از فرایند پرس خشک توسعه یافت اما این روش هزینه بر بود زیرا نیاز بود الکترولیت تحت عملیات سایش با الماس قرار گیرد و از ضخامتش کم شود. این به نظر بهتر می رسد که برای تولید لایه های نازکی از الکترولیت به سمت فرایندهای تولید پیشرفته ی سرامیک ها مانند روش های رسوب دهی شیمایی از فاز بخار و ریخته گری نواری و روش اکسترود کردن، برویم( شکل 4 را ببینید).
در اواخر دهه ی 1970، در شرکت وستینگ هووس( Westinghouse: یک شرکت تولیدکننده ی وسایل الکترونیکی) روش رسوب دهی از فاز بخار برای تولید سلول های لوله ای مورد استفاده قرار گرفت. یک زیرلایه ی متخلخل لوله ای شکل که دارای قطری 15-20 میکرون بود در داخل محفظه ی کوره ی با فشار کم قرار داده می شد( این زیرلایه ابتدا از جنس زیرکونیای پایدار شد با اکسید کلسیم بود و بعدا از جنس مواد کاتدی یعنی لانتانیوم مگنتایت دپ شده ساخته شد) و بخارات کلرید زیرکونیوم و کلرید ایتریوم از بخش خارجی لوله عبور می کردند. این کار باعث می شد تا لایه ای به ضخامت 40 میکرون بر روی سطح زیرلایه ی لوله ای شکل بوجود آید و در نتیجه این لایه بعدا تشکیل یک لایه ی الکترولیتی را می داد. یک نوار اتصالی نیز می تواند از لانتانیوم کرومات دوپ شده با اکسید منیزیم با همین روش تولید شود. اگر چه پیل های سوختی اکسید جامد لوله ای شکل دارای کارایی الکتروشیمیایی خوبی هستند، این فرایند در مقایسه با روش ریخته گری نواری، طولانی تر و هزینه بر تر است. همچنین لوله های بزرگ را نمی توان به سرعت حرارت دهی کرد و نیاز است تا 4-6 ساعت این لوله ها را پیش گرم کرد.
ریخته گری نواری در اصل برای ایجاد لایه های نازک از مواد در کاربردهای الکترونیکی مخصوصا با استفاده از حلال های آلی، مورد استفاده قرار می گیرد. یک دوغاب از پودر YSZ با استفاده از عوامل پراکنده ساز و حلال ایجاد می شود. برای مثال می توان در تهیه ی این دوغاب از متیل اتیل کتون یا اتانول به همراه KD1 استفاده کرد. این دوغاب به مدت 24 ساعت در بالمیل آسیاب می شود تا به خوبی سایش پیدا کند و کلوخه های آن خرد شود. سپس یک مخلوط پلاستیسایزر و یک ماده ی پلیمری با این دوغاب مخلوط می شود( این مخلوط پلاستیسایزر و یک ماده ی پلیمری از آسیاب نمودن اکسیدهای پلی اتیلن و دی بوتیل فتالات با حلال تولید ی شود). بعد از فیلتریزاسیون و خارج نمودن هوای داخل این مخلوط، دوغاب بر روی یک لایه ی پلیمری ریخته گری می شود و قبل از پخت در دمای 1300 درجه ی سانتیگراد، به مدت 3 ساعت تحت عملیات خشک کردن قرار می گیرد.
ریخته گری نواری بر پایه ی آب به دلیل مسائل محیط زیستی، مناسب تر از ریخته گری های نواری بر پایه ی حلال های آلی است. ریخته گری نواری بر پایه ی آب بوسیله ی شرکت Viking Chemical توسعه یافته است. این شرکت زیرکونیای خالص خود را با استفاده از تکنیک های استخراج حلال، تولید نمود. در این روش پودر زیرکونیای کلسینه شده در یک محیط آبی به همراه محلول آمونیوم پلی اکریلات، تحت عملیات سایش قرار می گیرد تا بدین روش یک دوغاب با پراکندگی مناسب حاصل شود. سپس یک محلول از اتیلن سلولز خالص به این محلول اضافه می شود و بعد از آن فرایند فیلترینگ و هوا گیری بر روی آن انجام می شود. این دوغاب بر روی یک فیلم پلیمری ریخته گری نواری شده و سپس خشک و در مای 1450 درجه ی سانتیگراد، پخت می شود. در ساختارهای مسطح مشکل اصلی ایجاد شک های حرارتی است که برای جلوگیری از این شک ها مجبور می شویم نمونه ها را به آرامی گرم کنیم.
برای جلوگیری از شک های حرارتی لوله های با قطر کوچکتر با استفاده از روش اکستروژن ساخته شدند.
مواد مورد استفاده به عنوان الکترولیت و واکنش های ایجاد شده در آنها
به محض تولید یک غشاء زیرکونیایی، ضروری است الکترودهایی در سطح تماس سوخت( آند) و در سمت تماس ماده ی اکسید کننده( کاتد) ایجاد شود.
این الکترودها معمولا از مواد ذره ای تولید می شوند تا به طور جزئی زینتر شوند و یک لایه ی رسانای متخلخل ایجاد کنند. اغلبا چندین لایه ایجاد می شوند زیرا این کار به ما اجازه می دهد تا یک گرادیان از ویژگی ها را داشته باشیم( در واقع YSZ خالص در سطح الکترولیت و ماده ای با ترکیب شیمیایی الکترودها در محل تماس( مانند شکل 5). علاوه بر این، با این کار می توان ضرایب انبساط حرارتی را بیشتر تطبیق داد.
نیکل متداول ترین ماده ای است که در آندهای پیل سوختی اکسید جامد مورد استفاده قرار می گیرد. استفاده از این ماده بیشتر به دلیل کارکرد شناخته شده و مسائل اقتصادی است. بدبختانه فلز نیکل به خوبی به YSZ نمی چسبد و پوسته ای می شود مگر آنکه با زیرکونیا مخلوط شود. این پوسته ای شدن به دلیل تفاوت زیاد در ضرایب انبساط حرارتی این مواد ایجاد می شود( ضریب انبساط حرارتی نیکل 13.3 * 10-6 K-1 است در حالی که این ضریب برای YSZ در حدود 11 * 10-6 K-1 است). با مخلوط نمودن 30 در صد حجمی اکسید نیکل با YSZ، بعد از پخت در دمای 1300 درجه ی سانتیگراد، یک لایه ی آندی متخلخل ( بوسیله ی کاهش در هیدروژن) ایجاد می شود. با استفاده از این کار، این عدم تطابق کاسته می شود. ضریب انبساط حرارتی این سرمت نیکلی( آند) در حدود 12.5 * 10-6 K-1 است که باعث ایجاد چسبندگی بیشتری با YSZ می شود. با پیچیدن این آند در میان دو ماده با ترکیب شیمیایی اندکی متفاوت( یکی که به زیرکونیا نزدیک تر است، دارای نیکل کمتر، و دیگری که به جریان گاز نزدیک تر است، دارای نیکل بیشتر)، می توان ویژگی های آندی بهتری بدست آورد. نیازمندی های اصلی برای داشتن یک آند خوب، این است که اجازه دهند واکنش ها با سرعت بالا و به خوبی انجام شوند( واکنش مناسب سوخت و ایجاد رسانایی مناسب در محل اتصال).

طراحی سلول

یک پیل سوختی اکسید جامد دارای یک ماهیت 5 جزئی است که در شکل 1 به خوبی قابل مشاهده است. مشکل اصلی که یک مهندس مواد در 30 سال گذشته با آن روبرو بوده است، طراحی این سلول هاست. توان خروجی این سلول ها به طور مستقیم با مساحت سلول در ارتباط است؛ به نحوی که باید ناحیه ی ماکزیممی از غشاء YSZ در داخل سلول پیل سوختی قرار گیرد. این مسئله مشابه مسئله ای است که در طراحی مبدل های حرارتی با آن روبرو هستیم. دو راه حل قابل قبول برای این مشکل عبارتند از: قرار گیری یک دسته از صفحات مسطح یا یک آرایه از لوله های موازی. مشکلات مشابه با طراحی مبدل های حرارتی، در این نوع پیل های سوختی بوقوع می پیوندد( مشکلاتی مانند ترک خوردن، عدم وجود آب بندی و تراوش گازی)؛ علت این موضوع وجود مواد مختلف و ضریب انبساط بالای آنها، در این پیل های سوختی است. البته مشکلات به دلیل بالا بودن دمای کارکردی در این وسایل بیشتر می شود. مشکلات دیگر نیز به دلیل تافنس پایین اجزای سرامیکی و همچنین ضرورت ایجاد ارتباطات رسانا میان تمام سلول ها می باشد.
سلول های صفحه ای دارای مزیت های بیشتری هستند زیرا آنها را می توان به آسانی تحت عملیات چاپ شابلونی قرار داد و می توان این صفحات را با فاصله ی اندکی نسبت به هم قرار داد و دانسیته های توان بالایی بدست آورد. همچنین ایجاد اتصال در بین آنها نیز ساده است.
بسیاری از شرکت های سازنده ی پیل های سوختی اکسید جامد، امروزه از طراحی صفحه ای استفاده می کنند، علت استفاده از این طراحی مزیت های اشاره شده در بالاست. البته به هر حال دو مشکل هنوز هم پا بر جاست: یکی گرم شدن و دیگری مسئله آب بندی این وسایل است. گرم شدن آهسته ی بوجود آمده در طراحی صفحه ای و مشکل آب بندی، نتیجه ای از ضریب انبساط حرارتی بالای YSZو تردی آن است. اگر یک آرایه ی صفحه ای از پیل سوختی به سرعت تا دمای 800 در جه ی سانتیگراد حرارت دهی شود، سپس ممکن است ترک بخورد و این ترک موجب می شود تا بشکند. هر ساختار بزرگ از جنس YSZ با این مشکل مواجه است. از این رو استفاده از صفحات یا لوله های کوچک تر YSZ برای مقاومت در برابر شک حرارتی، ضروری است. مشکل ایجاد شده در این استفاده، بزرگتر شدن طراحی سلول است.

سیستم های تولید برق با استفاده از پیل های سوختی اکسید جامد

به طور نمونه وار 25% حجمی یک سیستم پیل سوختی را اجزای سلول تشکیل داده اند. بقیه ی رآکتور شامل تأسیساتی مانند عایق های حرارتی، لوله ها، پمپ ها و مبدل های حرارتی، بخش کنترل کننده ی حرارت، پردازنده های سوختی، سیستم کنترل، هیتر گرم کننده، و تنظیم کننده ی توان، تشکیل می دهند.
در اصل پیل های سوختی برای این طراحی شده اند تا بتوان جایگزینی برای واحدهای تولید توان بزرگ مانند نیروگاه ها، کشتی ها و لوکوموتیوها، پیدا کرد؛ در طی 10 سال گذشته، این واقعیت که پیل های سوختی اکسید جامد را می توان به عنوان یک سیستم توان کوچک، قابل حمل مورد استفاده قرار داد، نوید بخش بوده است. این پیل ها را می توان با گاز طبیعی، بیوگاز و یا پروپان کار کنند.
شماتیک یک سیستم پیل سوختی اکسید جامد در شکل 6 دیده می شود. خروجی توان این سیستم برای کاربردهای سیار می تواند تا 100 We باشد. این توان برای ایجاد ارتباط کافی است. همچنین این توان می تواند برای کاربردهای خانگی تا 5kWe افزایش یابد. برای این وسیله خروجی حرارت کمتر مهم است زیرا بازده الکتریکی مهم ترین معیار برای کارایی نیست.
اصلی ترین بخش متحرک این کارخانه دمنده های هوا و پمپ های سوخت هستند( البته اگر از سوخت فشرده استفاده نشود). تمام بخش های دیگر بغیر از شیرها جامد هستند و از این رو هزینه ی نگهداری سیستم پایین است. در یک سیستم کوچک، قابلیت اطمینان یکی از فاکتورهای کلیدی محسوب می شود. باید گفت که قابلیت اطمینان این سیستم ها نسبت به موتورهای احتراقی، بهتر است.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع است.