การใช้และข้อดีของนิกเกิลโฟมในเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC)

การใช้งานและข้อดีของนิเกิลโฟมในเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC)

ก่อนอื่น มาทำความเข้าใจว่าเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) คืออะไร เซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ (SOFC) หรือที่รู้จักกันในชื่อเซลล์เชื้อเพลิง-โซลิด-หรือเซลล์เชื้อเพลิงเซรามิกทั้งหมด เป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานเคมีเชื้อเพลิงเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงผ่านปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า แตกต่างจากเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่นๆ SOFC ไม่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่าเพื่อส่งเสริมปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า ซึ่งลดการพึ่งพาโลหะหายากและลดต้นทุนได้ในระดับหนึ่ง

SOFC มีข้อได้เปรียบหลักหลายประการ จึงเป็นประเด็นร้อนในสาขาพลังงาน:

จากหลักการทำงาน SOFC ถือเป็น "กระบวนการย้อนกลับ" ของการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ในกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ น้ำจะถูกสลายตัวเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน ใน SOFC ปฏิกิริยาออกซิเดชันของเชื้อเพลิงเกิดขึ้นที่ขั้วบวก ปฏิกิริยารีดักชันของอนุมูลอิสระเกิดขึ้นที่แคโทด และไอออนจะถูกดำเนินการผ่านอิเล็กโทรไลต์เพื่อสร้างพลังงานไฟฟ้าและพลังงานความร้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เชื้อเพลิง (เช่น ไฮโดรเจน) ถูกออกซิไดซ์ที่ขั้วบวก โดยปล่อยอิเล็กตรอนและโปรตอน (หรือไอออน) ออกมา ออกซิเจนจะลดลงเป็นไอออนของออกซิเจนที่แคโทด และไอออนของออกซิเจนจะย้ายไปยังขั้วบวกผ่านอิเล็กโทรไลต์ออกไซด์ที่เป็นของแข็ง ทำปฏิกิริยากับเชื้อเพลิงเพื่อสร้างน้ำหรือผลิตภัณฑ์อื่นๆ ในขณะที่อิเล็กตรอนไหลผ่านวงจรภายนอกเพื่อสร้างกระแสและรับรู้ถึงเอาต์พุตของพลังงานไฟฟ้า
ด้วยหลักการทำงานของมัน เราสามารถเข้าใจการใช้งานและข้อดีของโฟมนิกเกิลได้ดังต่อไปนี้:
1. วัสดุแอโนดหรือการสนับสนุนแอโนด
-โครงสร้างรูพรุนสามมิติ-ของโฟมนิกเกิลสามารถใช้เป็นสารตั้งต้นแอโนดได้ โดยให้พื้นที่ผิวจำเพาะสูง เพิ่มตำแหน่งที่เกิดปฏิกิริยา และส่งเสริมปฏิกิริยาออกซิเดชันของเชื้อเพลิง (เช่น ไฮโดรเจนหรือมีเทน) เมื่อเปรียบเทียบกับแอโนด Ni-YSZ แบบดั้งเดิม ค่าการนำไฟฟ้าสูงสามารถลดการสูญเสียโอห์มมิกและปรับปรุงประสิทธิภาพการนำไฟฟ้าได้
2. นักสะสมปัจจุบัน
-ในฐานะที่เป็นตัวสะสมกระแสไฟฟ้าที่ด้านแอโนด โครงสร้างที่มีรูพรุนของโฟมนิกเกิลช่วยให้ก๊าซกระจายได้อย่างอิสระ ขณะเดียวกันก็กักเก็บกระแสไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดความต้านทานต่อการสัมผัสระหว่างผิว และเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่
3. โครงสร้างรองรับโลหะ
- เนื่องจากโครงกระดูกของโลหะ-รองรับ SOFC ความแข็งแรงเชิงกลสูงและความต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของนิกเกิลโฟมจึงสามารถเพิ่มความทนทานของแบตเตอรี่ รองรับชั้นอิเล็กโทรไลต์ที่บางลง ลดอุณหภูมิในการทำงาน (เช่น 600-800 องศา ) และลดระยะเวลาการเริ่มต้นระบบให้สั้นลง
4. วัสดุอิเล็กโทรดคอมโพสิต
- เมื่อผสมกับวัสดุอิเล็กโทรไลต์ (เช่น YSZ) เพื่อสร้างโครงสร้างรูพรุนหลาย- ปรับปรุงการส่งผ่านของเชื้อเพลิงและสารออกซิแดนท์ในขณะที่ยังคงการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาไว้
ข้อดี
1. มีความพรุนสูงและความสามารถในการแพร่กระจายก๊าซ
- โครงสร้างเครือข่ายสามมิติ- (ความพรุน 70-95%) ส่งเสริมการกระจายก๊าซที่สม่ำเสมอ ลดโพลาไรเซชันของความเข้มข้น และปรับปรุงประสิทธิภาพปฏิกิริยา
2. การนำไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม
- ค่าการนำไฟฟ้าของนิกเกิลบริสุทธิ์ดีกว่าการนำไฟฟ้าของคอมโพสิตเซรามิกอย่างมาก ซึ่งช่วยลดโพลาไรเซชันของโอห์มมิกและปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน
3. ความแข็งแรงทางกลและเสถียรภาพทางความร้อน
- ความเหนียวของโฟมโลหะดีกว่าวัสดุเซรามิก และสามารถทนต่อวงจรความร้อนและการสั่นสะเทือนทางกลได้ และเหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง (ต้องมีการบำบัดป้องกัน-ออกซิเดชัน)
4. ความยืดหยุ่นในการผลิต
-ง่ายต่อการแปรรูปเป็นรูปทรงที่ซับซ้อน รองรับการผลิตขนาดใหญ่- และอาจลดต้นทุนการผลิต

แน่นอนว่ายังมีความท้าทายและข้อควรระวังอื่นๆ อีก
-ปัญหาการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง: จำเป็นต้องปรับปรุงความต้านทานการเกิดออกซิเดชันผ่านการผสม (เช่น การเติม Cr, Al) หรือการเคลือบ (เช่น YSZ) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบรรยากาศออกซิไดซ์
-การจับคู่การขยายตัวเนื่องจากความร้อน: จำเป็นต้องประสานกับสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของวัสดุอิเล็กโทรไลต์ (เช่น YSZ, GDC) เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ส่วนต่อประสานแตกร้าว
-ความเสถียรในระยะยาว-: จำเป็นต้องระงับแนวโน้มการเผาผนึกของนิกเกิลและรักษาเสถียรภาพของโครงสร้างที่มีรูพรุน
ความก้าวหน้าของการวิจัย
การวิจัยได้สำรวจโฟมนิกเกิลเป็นสารตั้งต้นแอโนดหรือส่วนรองรับโลหะ เช่น การเตรียมอิเล็กโทรดคอมโพสิตโดยการวางอิเล็กโทรดหรือการสะสมไอสารเคมี รวมกับวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาแบบดั้งเดิม (เช่น Ni-YSZ) ซึ่งมีประสิทธิภาพดีเยี่ยมในการลดความต้านทานโพลาไรเซชันและเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน ใน SOFC ที่รองรับโลหะ- คุณลักษณะน้ำหนักเบาและความแข็งแรงสูง-ของโฟมนิกเกิลดึงดูดความสนใจได้มาก
กล่าวโดยสรุป โฟมนิกเกิลมีศักยภาพในการใช้งานที่สำคัญใน SOFC โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพการส่งก๊าซ การปรับปรุงการนำไฟฟ้าและคุณสมบัติทางกล แต่การใช้งานจริงจำเป็นต้องแก้ปัญหาความเข้ากันได้ของวัสดุและความเสถียรในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง