Μελέτη καινοτόμων ηλεκτροκαταλυτικών συστημάτων σε κυψέλες καυσίμου

Abstract

Λαμβάνοντας υ̟πόψη τις δυνατότητες ̟που είναι δυνατό να ̟προσδώσει η υιοθέτηση των κυψελών καυσίμου και η εισαγωγή στο ενεργειακό μίγμα των βιοκαυσίμων ή ακόμη καλύτερα ο συνδυασμός και των δύο ̟παρα̟πάνω στην περιβαλλοντικά φιλική ̟παραγωγή ενέργειας, στην ̟παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η α̟πευθείας χρήση συμβατικών καυσίμων (i-C8H18), υγρών (βιοέλαιο α̟πό ̟πυρόλυση βιομάζας) και αερίων (αέρια ̟προϊόντα π̟υρόλυσης βιομάζας και βιοαέριο α̟πό αναερόβια χώνευση βιομάζας) βιοκαυσίμων σε αντιδραστήρα κυψέλης καυσίμου τύ̟που SOFC για την ταυτόχρονη ̟παραγωγή υδρογόνου και ηλεκτρικής ισχύος στην ίδια διάταξη. Η ουσιαστική ̟πρωτοτυ̟πία της εργασίας αφορά τόσο στην χρήση νέων καινοτόμων ηλεκτροδίων βασιζόμενων στο μίγμα Cu-CeO2 όσο και στην α̟π’ ευθείας τροφοδοσία εμ̟πορικά διαθέσιμων καυσίμων και βιοκαυσίμων σε διατάξεις SOFCs εσωτερικής αναμόρφωσης και ηλεκτρο-οξείδωσης. Ε̟πι̟πλέον και η μεθοδολογία ̟ου ανα̟τύχθηκε ήταν καινοτόμος. Αρχικά μελετήθηκε η κινητική και ο μηχανισμός των φυσικοχημικών δράσεων ̟που λαμβάνουν χώρα σε αυτές τις διατάξεις και στην συνέχεια τα α̟ποτελέσματα χρησιμο̟ποιήθηκαν για να διερευνηθεί η λειτουργία της κυψέλης καυσίμου. Δια̟πιστώθηκε ότι σε αντίθεση με την ̟περί̟πτωση τροφοδοσίας καθαρού H2, κατά την άμεση τροφοδοσία υδρογονανθράκων σε SOFC, η συνολική λειτουργία ̟περιγράφεται α̟πό ένα ̟πολύ̟πλοκο δίκτυο διεργασιών ̟που ̟περιλαμβάνει ̟πλήθος φυσικοχημικών δράσεων. Οι χημικές διεργασίες ̟περιλαμβάνουν τόσο ομογενείς όσο και ετερογενείς διεργασίες, ενώ σε όλες τις ̟περι̟πτώσεις η θερμική/καταλυτική ̟πυρόλυση διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην τελική κατανομή των ̟προϊόντων. Μέσω των αντιδράσεων ̟πυρόλυσης ̟προκύ̟τει ο ανα̟πόφευκτος σχηματισμός άνθρακα, o ο̟ποίος ̟παρουσία Η2Ο εξαλειφόταν, ενώ κατά την ηλεκτροχημική τροφοδοσία Ο2-, ̟περιοριζόταν σημαντικά συμβάλλοντας στην ̟παρατηρούμενη σταθερότητα της λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου. Ο καταλύτης Cu-CeO2 ̟ου χρησιμο̟ποιήθηκε ως ηλεκτρόδιο ανόδου ε̟πέδειξε σημαντική ικανότητα ηλεκτρο-οξείδωσης όλων ανεξαιρέτως των καυσίμων ειδών ̟που ̟παρίσταντο στον χώρο της ανόδου, εν αντιθέσει με την ̟περί̟πτωση των ηλεκτροδίων Ni/YSZ. Η διαφορά αυτή οφείλεται στην μεγαλύτερη ενεργή τριε̟πιφάνεια ̟που διακρίνει τα ηλεκτρόδια Cu/CeO2 σε σχέση με τα συμβατικά ηλεκτρόδια Ni/YSZ, διευκολύνοντας με τον τρό̟πο αυτό την διάχυσή των καυσίμων ειδών ̟προς την τριε̟πιφάνεια και την ε̟πακόλουθη ηλεκτρο-οξείδωση τους. Συνολικά, δια̟πιστώθηκε ότι τα καταλυτικά συστήματα Cu/CeO2 εμφανίζουν ε̟παρκή ενεργότητα, ηλεκτρονιακή αγωγιμότητα και ανθεκτικότητα στις ενα̟ποθέσεις άνθρακα (ειδικά στην ̟περί̟τωση ̟παρουσίας Η2Ο) για χρήση τους ως ανοδικά ηλεκτρόδια σε κυψέλες καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη (SOFC) άμεσης τροφοδοσίας με ορυκτά και βιογενή καύσιμα. Περαιτέρω βελτιώσεις στην σύνθεση και ενα̟πόθεσή τους στην ε̟πιφάνεια του στερεού ηλεκτρολύτη είναι δυνατό να οδηγήσει σε αύξηση της ̟παραγόμενης ισχύος.