Ανάπτυξη και μελέτη νέων υλικών κυψελίδων καυσίμου με στόχο την απευθείας χρήση της βιοαιθανόλης για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

Οι κυψελίδες καυσίμου στερεού οξειδίου SOFCs θεωρούνται ως η περισσότερο υποσχόμενη τεχνολογία για υψηλής απόδοσης παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η αιθανόλη θεωρείται ένα εναλλακτικό καύσιμο για τις κυψελίδες καυσίμου, φιλικό προς το περιβάλλον, με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα που θα μπορούσε να υπερνικήσει τα προβλήματα που εμφανίζονται από την αποθήκευση και μεταφορά του υδρογόνου. Η απευθείας χρήση της αιθανόλης στο ηλεκτρόδιο της ανόδου αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα, όπως είναι η υψηλότερη απόδοση μέσω ανάκτησης της θερμότητας από τις χημικές αντιδράσεις, η απλοποίηση του συστήματος χωρίς τη χρήση του αναμορφωτή και η μείωση του συνολικού κόστους του συστήματος. Η πλήρης ηλεκτρο-οξείδωση της αιθανόλης αποτελεί σε διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο, αποτελεί κρίσιμο ζήτημα και πραγματική πρόκληση. Στην παρούσα διατριβή, μελετήθηκε αρχικά η αναμόρφωση της αιθανόλης με υδρατμό τόσο σε καταλύτη αργύρου (Ag) όσο και λευκοχρύσου (Pt). Τα πειραματικά αποτελέσματα κατέδειξαν τη δυσκολία διάσπασης του δεσμού άνθρακα-άνθρακα στο μόριο της αιθανόλης, γεγονός το οποίο οδηγεί στον σχηματισμό ποικίλων παραπροϊόντων, όπως είναι η ακεταλδεΰδη, το μονοξείδιο του άνθρακα, το μεθάνιο, κλπ. Επιπλέον, μελετήθηκε η λειτουργία τριών διαφορετικών διατάξεων κυψελίδων καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη άμεσης τροφοδοσίας αιθανόλης (DE-SOFCs). Αρχικά, πραγματοποιήθηκε μελέτη των κυψελίδων καυσίμου τύπου Ag/YSZ/Ag και Pt/YSZ/Pt, ενώ στη συνέχεια κατασκευάστηκε και μελετήθηκε κυψελίδα τύπου Ni/ScCeSZ/LSM. Τέλος, μελετήθηκε η κυψελίδα PCe/YSZ/PtPr, στην οποία εξετάστηκε και η κατανομή των κύριων προϊόντων της αντίδρασης σε συνθήκες ανοικτού και κλειστού κυκλώματος. Βρέθηκε πως η μικροδομή και η επιλογή των υλικών παίζουν καθοριστικό ρόλο στην απόδοση της κυψελίδας. Σε όλες τις περιπτώσεις, τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν πως η πυκνότητα ισχύος των κυψελίδων καυσίμου, ενισχύεται πάνω από τους 600°C, γεγονός το οποίο οφείλεται τόσο στη βελτιωμένη κινητική των αντιδράσεων όσο και στην υψηλότερη ιοντική αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη σε υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας. Η κυψελίδα Ni/ScCeSZ/LSM εμφάνισε τη καλύτερη συμπεριφορά συγκριτικά με τις υπόλοιπες που μελετήθηκαν, αποδίδοντας μέγιστη πυκνότητα ισχύος 114 mW/cm στους 1000°C. Για τη βελτίωση της ηλεκτροχημικής απόδοσης απαιτείται, η ανάπτυξη και μελέτη νέων δραστικότερων καταλυτών και ηλεκτρολυτών με υψηλότερη ιοντική αγωγιμότητα, καθώς και γνώση του μηχανισμού της αντίδρασης και των σχετικών κινητικών της σταθερών