نمایش مبدأ برای الکترولایزر اکسید جامد

[[پرونده:Solid oxide electrolyser cell 2x60cell stack.jpg|بندانگشتی|دستگاه الکترولیز اکسید جامد]]
'''الکترولیز اکسید جامد'''(به انگلیسی:Solid oxide electrolyzer cell)یک نوع [[پیل سوختی اکسید جامد]] است.که از طریق [[برق‌کافت|الکترولیز]] کردن آب یا کربن دی اکسید آن را به هیدروژن یا [[کربن مونوکسید|مونوکسید کربن]] و اکسیژن تبدیل می کند.سلول های الکترولیز اکسید جامد همانند پیل سوختی اکسید جامددر دماهای بالا معمولا بین 500تا 800درجه [[سلسیوس|سانتی گراد]] کار می کنند.واکنش اصلی آن منجر به تولید گازهای هیدروژن و اکسیژن می شود<ref>{{Cite journal|last=Zheng|first=Yun|last2=Wang|first2=Jianchen|last3=Yu|first3=Bo|last4=Zhang|first4=Wenqiang|last5=Chen|first5=Jing|last6=Qiao|first6=Jinli|last7=Zhang|first7=Jiujun|date=2017|title=A review of high temperature co-electrolysis of H 2 O and CO 2 to produce sustainable fuels using solid oxide electrolysis cells (SOECs): advanced materials and technology|url=http://xlink.rsc.org/?DOI=C6CS00403B|journal=Chemical Society Reviews|language=en|volume=46|issue=5|pages=1427–1463|doi=10.1039/C6CS00403B|issn=0306-0012}}</ref>.هیدروژن یک سوخت پاکی است که می توان آن را ذخیره کرد.وبه عنوان یکی از کاندیدهای بالقوه جایگزین [[سوخت فسیلی]] می باشد.گاز هیدروژن از روش های مختلفی تولید می‎‌‌شود که از آن جمله می‌توان به [[ترموشیمیایی]]،[[فوتوکاتالیست|فوتوکاتالیستی]]،تبدیل [[هیدروکربن]] اشاره کرد.که الکترولیز یکی از بهترین روش های تولید هیدروژن از آب به دلیل راندمان بالا وانرژی مورد نیاز نسبتا کم<ref>{{Cite journal|last=Ni|first=M|last2=Leung|first2=M|last3=Leung|first3=D|date=2008-05|title=Technological development of hydrogen production by solid oxide electrolyzer cell (SOEC)|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0360319908002255|journal=International Journal of Hydrogen Energy|language=en|volume=33|issue=9|pages=2337–2354|doi=10.1016/j.ijhydene.2008.02.048}}</ref>.

== 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 CO<sub>2</sub> به منظور تولید CO اما به دلیل قیمت پایین سوخت فسیلی، توسعه SOEC در سال 1990 متوقف شد. اما در دهه اخير استفاده از اين تكنولوژی توجه بسياري را به خود جلب كرده است . از مزايای SOEC مي‌توان به مواردي مانند كاهش ميزان جريان الكتريسته مورد نياز با افزايش دما جهت [[آبکافت|آبكافت]] آب كه منجر به كاهش هزينه توليد هيدروژن، سریع بودن واكنش تشكيل هیدروژن<ref>{{Cite journal|last=NI|first=M|last2=LEUNG|first2=M|last3=LEUNG|first3=D|date=2008-05|title=Technological development of hydrogen production by solid oxide electrolyzer cell (SOEC)|url=http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.02.048|journal=International Journal of Hydrogen Energy|volume=33|issue=9|pages=2337–2354|doi=10.1016/j.ijhydene.2008.02.048|issn=0360-3199}}</ref>. همچنين در صورت استفاده از انرژی هسته‌ای و يا انرژی خورشيدی به عنوان منبع تامين كننده انرژي حرارتی ، مي‌توان تا حد زيادي قيمت و بازده هيدروژن توليدی را بهبود بخشيد<ref>{{Cite journal|last=YILDIZ|first=B|last2=KAZIMI|first2=M|date=2006-01|title=Efficiency of hydrogen production systems using alternative nuclear energy technologies|url=http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2005.02.009|journal=International Journal of Hydrogen Energy|volume=31|issue=1|pages=77–92|doi=10.1016/j.ijhydene.2005.02.009|issn=0360-3199}}</ref>.

== نحوه عملکرد ==

بخار آب از سمت كاتد متخلخل وارد ميشود.و در فصل مشترك كاتد - [[الکترولیت|الكتروليت]] به گاز هيدروژن و يون‌های اكسيژن تبديل می شود. یون های اکسیژن از داخل الكتروليت متراكم به سمت آند حرکت می کنند.در قسمت آند، يون‌های اكسيژن به گاز اكسيژن تبدیل می شوند<ref>{{Cite journal|last=Fujii|first=Katsushi|last2=Ohkawa|first2=Kazuhiro|date=2006-06|title=Hydrogen generation from aqueous water using n‐GaN by photoassisted electrolysis|url=http://dx.doi.org/10.1002/pssc.200565171|journal=physica status solidi c|volume=3|issue=6|pages=2270–2273|doi=10.1002/pssc.200565171|issn=1862-6351}}</ref>.

کاتد: 2H<sub>2</sub>O + 4e<sup>−</sup> → H<sub>2</sub> + O<sup>-2</sup>

آند: <sup>−</sup>2O<sup>2−</sup> → O<sub>2</sub> + 4e

واکنش کلی : 2H<sub>2</sub>O → 2H<sub>2</sub> + O<sub>2</sub>

شکل روبرو مقدار انرژی مورد استفاده برای SOEC را در دماهای مختلف نشان میدهد. 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<ref>{{Cite journal|last=NI|first=M|last2=LEUNG|first2=M|last3=LEUNG|first3=D|date=2008-05|title=Technological development of hydrogen production by solid oxide electrolyzer cell (SOEC)|url=http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.02.048|journal=International Journal of Hydrogen Energy|volume=33|issue=9|pages=2337–2354|doi=10.1016/j.ijhydene.2008.02.048|issn=0360-3199}}</ref>.

== اجزاء SOEC ==
اجزای اصلی SOEC  عبارت اند از: الكتروليت متراكم، آند و كاتد متخلخل مي‌باشد.که باید دارای ویژگی های مانند<ref>{{Cite journal|last=Sandstede|first=G.|date=1991-04|title=Electrochemical Hydrogen Technologies (Electrochemical Production and Combustion of Hydrogen). Herausgeg. von <i>H. Wendt</i>. Elsevier, Amsterdam – New York 1990. XX, 512 S., zahlr. Abb., geb., US $ 179,50|url=http://dx.doi.org/10.1002/cite.330630422|journal=Chemie Ingenieur Technik|volume=63|issue=4|pages=384–384|doi=10.1002/cite.330630422|issn=0009-286X}}</ref>:

* پایداری شیمیایی بالا الکترودها درمحيط های  اكسيدي و احيايي.
* الکترودها باید دارای تخلخل مناسب باشند.
* ضریب [[انبساط حرارتی]] الكترودها بايد به الكتروليت نزديك باشد.

=== الکترولیت ===
الكتروليت  بايد متراكم، دارای هدايت يوني بالا، پايداري شيميايي بالا و الكتروليت بایددر برابر گازها نفوذناپذير باشد تا ازهر گونه واكنش بينH<sub>2</sub> و O<sub>2</sub> جلوگیری کند.رايج‌ترين ماده استفاده شده براي الكتروليت SOEC زيركونياي تثبيت شده با ايتريا (YSZ )مي‌باشدكه دارای هدايت يونی و استحكام مکانیکی مناسبی می باشد.البته زیرکونیای دوپ شده با Sc<sub>2</sub>O<sub>3</sub>داراي بالاترين هدایت يونی است.اما به دلیل قیمت بالای آن در سیستم های دما بالا استفاده نمی‌شود<ref>{{Cite journal|last=Sandstede|first=G.|date=1991-04|title=Electrochemical Hydrogen Technologies (Electrochemical Production and Combustion of Hydrogen). Herausgeg. von <i>H. Wendt</i>. Elsevier, Amsterdam – New York 1990. XX, 512 S., zahlr. Abb., geb., US $ 179,50|url=http://dx.doi.org/10.1002/cite.330630422|journal=Chemie Ingenieur Technik|volume=63|issue=4|pages=384–384|doi=10.1002/cite.330630422|issn=0009-286X}}</ref>.

=== آند ===
مواد مناسب‌برای‌ آند SOEC عبارت اند از<ref>{{Cite journal|last=NI|first=M|last2=LEUNG|first2=M|last3=LEUNG|first3=D|date=2008-05|title=Technological development of hydrogen production by solid oxide electrolyzer cell (SOEC)|url=http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.02.048|journal=International Journal of Hydrogen Energy|volume=33|issue=9|pages=2337–2354|doi=10.1016/j.ijhydene.2008.02.048|issn=0360-3199}}</ref>:

* [[فلزات نجیب]] مانند: نقره و پلاتین

* اکسیدهای هادی الکتریسیته

به دلیل‌قیمت بالای فلزات نجيب از آن‌ها استفاده نمی شود فقط از يك سری اكسيدهای هادي جريان الکتریسیته استفاده می‌شود. یکی‌از مناسبترین ماده برای آندSr)LSM دوپ شده در [[:en:Lanthanum_manganite#:~:text=Lanthanum%20manganite%20is%20an%20inorganic,with%20a%20central%20Mn%20atom.|LaMnO<sub>3</sub>]])با [[ساختار پروسکایت|ساختار پروسكايت]] می‌باشد. دارای هدايت الكتریكی و خاصیت كاتاليستی مناسبی براي اكسيد كردن يون اكسيژن می باشد.  و همچنین دارای سازگاری شیمیایی خوبی با YSZ می‌باشد. و نیز دارای ضریب انبساط حرارتي نزديکی به الكتروليت YSZ است<ref>{{Cite journal|last=Liang|first=Mingde|last2=Yu|first2=Bo|last3=Wen|first3=Mingfen|last4=Chen|first4=Jing|last5=Xu|first5=Jingming|last6=Zhai|first6=Yuchun|date=2009-05|title=Preparation of LSM–YSZ composite powder for anode of solid oxide electrolysis cell and its activation mechanism|url=http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2008.12.132|journal=Journal of Power Sources|volume=190|issue=2|pages=341–345|doi=10.1016/j.jpowsour.2008.12.132|issn=0378-7753}}</ref>.

=== 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. <ref>{{Cite journal|last=Laguna-Bercero|year=2012|title=A review|url=|journal=Journal of Power Sources|volume=203|issue=|pages=4–16|doi=10.1016/j.jpowsour.2011.12.019|hdl-access=free}}</ref>  [[لانتانیم استرانسیم منگنز]] (LSM) نیز معمولاً به عنوان ماده کاتدی استفاده 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. یکی از مشکلات اصلی آن رسوب [[اسکاندیوم اکسید|اکسید اسکاندیم]] در شبکه LSM  است. این ذرات رسوبی باعث کاهش هدایت الکترون و یون می شود. به همین دلیل، دمای کاری و غلظت اسکاندیم در شبکه LSM بسیار حائز اهمیت است. <ref>{{Cite journal|last=Yue|first=X.|last2=Yan|first2=A.|last3=Zhang|first3=M.|last4=Liu|first4=L.|last5=Dong|first5=Y.|last6=Cheng|first6=M.|year=2008|title=Investigation on scandium-doped manganate La0.8Sr0.2Mn1-xScxO3-cathode for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells|url=|journal=Journal of Power Sources|volume=185|issue=2|pages=691–697|doi=10.1016/j.jpowsour.2008.08.038}}</ref> مواد جدیدی مانند [[لانتانیم استرانسیم منگنز کرومات]] (LSCM) در حال نوسعه 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<ref>{{Cite journal|last=Paul Demkowicz|last2=Prateek Sachdev|last3=Kevin DeWall|last4=Pavel Medvedev|date=2007-06-01|title=High Temperature Steam Electrolysis Materials Degradation: Preliminary Results of Corrosion Tests on Ceramatec Electrolysis Cell Components|url=http://dx.doi.org/10.2172/933175}}</ref>. 

== پژوهش ==
در سال 2014. [[مؤسسه فناوری ماساچوست|MIT]] با موفقیت دستگاهی را که در [[موکسی (آزمون اکسیژن مریخ)|آزمایش اکسیژن ISRU مریخ]] استفاده شده بود، روی مریخ [[استقامت (مریخ‌نورد)|نورد ''Perseverance'']] به عنوان وسیله ای برای تولید اکسیژن برای مواد غذایی و پیشران موشک‌ها آزمایش کرد. <ref>{{Cite web|title=Going to the Red Planet|url=https://news.mit.edu/2014/going-red-planet|accessdate=2021-11-26|website=MIT News {{!}} Massachusetts Institute of Technology|language=en}}</ref> در آوریل 2021 ناسا ادعا کرد که با موفقیت  5 گرم اکسیژن در مریخ از CO<sub>2</sub> جو مریخ تولید کرده است<ref>{{Cite journal|date=2015|title=Instrument problem could delay March launch of NASA Mars mission|url=http://dx.doi.org/10.1063/pt.5.029423|journal=Physics Today|doi=10.1063/pt.5.029423|issn=1945-0699}}</ref>.

== شرایط عملیاتی ==
ماژول های SOEC می توانند در سه حالت مختلف کار کنند: گرمازا، گرماگیر و [[ولتاژ حرارتی|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. بنابراین مصرف انرژی الکتریکی افزایش می یابد، نیازی به منبع گرمای خارجی ندارد. 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. این حالت نسبت به حالت گرماگیر برق بیشتری مصرف می کند<ref>{{Cite journal|last=Daneshpour|first=Raheleh|last2=Mehrpooya|first2=Mehdi|date=2018-11|title=Design and optimization of a combined solar thermophotovoltaic power generation and solid oxide electrolyser for hydrogen production|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0196890418310288|journal=Energy Conversion and Management|language=en|volume=176|pages=274–286|doi=10.1016/j.enconman.2018.09.033}}</ref>.

== ملاحظات ==
تاكنون دو شكل صفحه‌ای (Planar )  و لوله‌ای (Tubular) برای ساخت پیل SOEC معرفي شده‌اند.شكل لوله‌ای نسبت به صفحه‌ای دارای استحكام مكانيكي و عايق‌بندی بهتری می‌باشد. اما شكل صفحه‌ای قابليت توليد بهتری دارد و در سال های اخير بيشتر مورد توجه قرار گرفته است.پيل‌های صفحه‌ای شكل به خاطر توزيع يكنواخت‌تر گاز درون آن‌ها، داراي كارايی بهتری نسبت به پيل‌های لوله‌ای شكل هستند<ref>{{Cite journal|last=Hino|first=R.|last2=Haga|first2=Katsuhiro|last3=Aita|first3=Hideki|last4=Sekita|first4=Kenji|date=2004-10|title=38. R&amp;D on hydrogen production by high-temperature electrolysis of steam|url=http://dx.doi.org/10.1016/j.nucengdes.2004.08.029|journal=Nuclear Engineering and Design|volume=233|issue=1-3|pages=363–375|doi=10.1016/j.nucengdes.2004.08.029|issn=0029-5493}}</ref>.مزایای پیل‌های سوختی احیاکننده مبتنی بر اکسید جامد راندمان بالا آن ها است<ref>[http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2010/EE/B915927D Intermediate temperature solid oxide electrolysis cell using LaGaO3 based perovskite electrolyte]</ref>. 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 [[انبساط حرارتی|تطابق انبساط حرارتی]] و مسائل پایداری شیمیایی مانند [[پدیده انتشار|انتشار]] بین لایه‌های مواد در سلول می‌شود.به دلیل برگشت پذیری ذاتی واکنش های شیمیایی، فرآیند هر پیل سوختی می تواند معکوس شود. <ref>{{Cite journal|last=Brozek|first=Celestyn M.|year=1996|title=Simple and attractive demonstration of the reversibility of chemical reactions|url=https://archive.org/details/sim_journal-of-chemical-education_1996-09_73_9/page/837|journal=Journal of Chemical Education|volume=73|issue=9|page=837|bibcode=1996JChEd..73..837B|doi=10.1021/ed073p837.1}}</ref> 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، [[الکترولیز فشار بالا|الکترولیزهای فشار بالا]] ، [[پیل سوختی احیا کننده یکپارچه|سلول‌های سوختی احیاکننده یکپارچه]] و [[پیل سوختی احیا کننده|سلول‌های سوختی احیاکننده]] . به هر حال، تحقیقات بر روی  سیستم‌هایی انجام می‌شود که در آن یک سلول اکسید جامد در هر جهت به طور موثر اجرا شود.<ref>[http://ecst.ecsdl.org/content/35/1/2969 A Proposed Method for High Efficiency Electrical Energy Storage Using Solid Oxide Cells]</ref>

=== لایه لایه شدن ===
پیل های سوختی که در حالت الکترولیز کار می کنند، عمدتاً به دلیل لایه لایه شدن آند  تخریب می شوند. لایه لایه شدن نتیجه افزایش فشار جزئی اکسیژن بالا در سطح مشترک الکترولیت - آند است. منافذ موجود در ماده الکترولیت- آند فشار جزئی اکسیژن را محدود می کند . حداکثر تنش ایجاد شده را می توان بر حسب فشار داخلی اکسیژن با استفاده از معادله زیر از [[مکانیک شکست]] بیان کرد: <ref>Courtney, T.N. (2000) ''Mechanical Behavior of Materials''. Groveland, IL: Waveland Press</ref>

<math>\sigma_{max}=2P_{O2}(\frac{c}{\rho})^{1/2}</math>

که در آن c طول ترک یا منافذ و <math>\rho</math> شعاع انحنای ترک یا منافذ است. اگر <math>\sigma_{max}</math>ترک از استحکام تئوری ماده فراتر  رود  باعث لایه لایه شدن می شود.
== جستارهای وابسته ==
*[[برقکافت آب]]
*[[برق‌کافت]]
*[[تولید هیدروژن]]



== منابع ==
{{پانویس}}



<!--- رده‌بندی --->
[[رده:مقاله‌های ایجاد شده توسط ایجادگر]]
[[رده:برق‌کافت]]
[[رده:پیل سوختی]]
[[رده:فراوری هیدروژن]]