Μηχανική κυψελίδων καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων με άμεση τροφοδοσία βιοαιθανόλης (DAFCs) με χρήση διμεταλλικού καταλύτη PtRu/C

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται η μελέτη της λειτουργίας μιας κυψελίδας καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) με απ ευθείας τροφοδοσία αιθανόλης (DEFC). Στην μελέτη αυτή το στοιχείο της κυψελίδας που βρίσκεται υπό εξέταση είναι ο ανοδικός διμεταλλικός καταλύτης πλατίνας - ρουθηνίου. Πιο συγκεκριμένα, ύστερα από μια σειρά πειραματικών μετρήσεων που έλαβαν χώρα στο Εργαστήριο Εναλλακτικών Συστημάτων Μετατροπής Συστημάτων, υπό την επίβλεψη και καθοδήγηση του Αν. Καθηγητή Παναγιώτη Τσιακάρα και σε συνεργασία με τους υποψήφιους διδάκτορες Γιώργο Ανδρεάδη και Βαίο Στεργιόπουλο, εξήχθησαν συμπεράσματα για την μεταβολή της αντίδρασης οξείδωσης της αιθανόλης στην άνοδο, σε μεταβλητές συνθήκες λειτουργίας. Οι μεταβλητές συνθήκες λειτουργίας περιλάμβαναν τόσο την αυξανόμενη θερμοκρασία λειτουργίας όσο και το αυξανόμενο απαιτούμενο ηλεκτρικό φορτίο. Συγκεκριμένα, σε αυτές τις συνθήκες λειτουργίας έγινε απ ευθείας ανάλυση των προϊόντων της αντίδρασης οξείδωσης της αιθανόλης στην άνοδο και στον ίδιο χρόνο έγιναν και ηλεκτροχημικές μετρήσεις ώστε να βρεθεί η απόδοση της κυψελίδας. Στη συνέχεια προβήκαμε σε σύγκριση του πειραματικού ρυθμού παραγωγής ηλεκτρονίων με τον θεωρητικό, υπολογισμό της συνολικής μετατροπής της αιθανόλης σε προϊόντα, υπολογισμό της μετατροπής της αιθανόλης σε κάθε ένα από τα προϊόντα, υπολογισμό της εκλεκτικότητας της αιθανόλης προς παραγωγή του κάθε προϊόντος και υπολογισμό της απόδοσης της αντίδρασης οξείδωσης της αιθανόλης προς παραγωγή του κάθε ενός από τα προϊόντα ξεχωριστά. Τέλος, υπολογίστηκε και η ενέργεια ενεργοποίησης της παραγωγής του κάθε προϊόντος, με την βοήθεια των διαγραμμάτων Arrhenius. Το βασικό συμπέρασμα που βγαίνει από την παραπάνω μελέτη είναι ότι τόσο με την αύξηση της θερμοκρασίας, όσο και με την αύξηση του επιβαλλόμενου ηλεκτρικού φορτίου η συνολική μετατροπή της αιθανόλης αυξάνεται. Την ίδια συμπεριφορά εμφάνισε και τη απόδοση της αντίδρασης προς παραγωγή τόσο ακεταλδεύδης, όσο και οξικού οξέως. Η εκλεκτικότητα της αιθανόλης προς παραγωγή ακεταλδεύδης αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, κάτι που δεν συμβαίνει με την εκλεκτικότητα της αιθανόλης προς παραγωγή οξικού οξέως. Τέλος, όπως φάνηκε από τον υπολογισμό των ενεργειών ενεργοποίησης, σε χαμηλά ρεύματα ευνοείται η παραγωγή οξικού οξέως, ενώ σε υψηλά ρεύματα ευνοείται η παραγωγή της ακεταλδεύδης.