Μελέτη Της Τριοδικής Λειτουργίας Κυψελών Καυσίμου

Abstract

Σκοπός της διατριβής ήταν η μελέτη κυψελών καυσίμου στερεού οξειδίου που λειτουργούν απευθείας με μεθάνιο, και η αντιμετώπιση της υποβάθμισης και απενεργοποίησης της ανόδου, λόγω εναπόθεσης άνθρακα, μέσω μιας ηλεκτροχημικής προσέγγισης, η οποία περιλαμβάνει μια νέα, προηγμένη αρχιτεκτονική των SOFC κελιών, σε συνδυασμό με ένα καινοτόμο τύπο λειτουργίας, που καλείται τριοδική διάταξη και λειτουργία. Η καινοτομία αυτή επιτυγχάνεται με την εισαγωγή ενός τρίτου ηλεκτροδίου, οδηγούμενου από ένα βοηθητικό κύκλωμα, το οποίο λειτουργεί ηλεκτρολυτικά. Έτσι, η άνοδος ή η κάθοδος του κελιού αναγκάζεται να λειτουργεί σε ελεγχόμενες διαφορές δυναμικού, ανέφικτες με την συμβατική λειτουργία. Η έρευνα πραγματοποιήθηκε με εμπορικά υλικά τελευταίας τεχνολογικής στάθμης, μη τροποποιημένων κεραμομεταλλικών ανόδων νικελίου, για τη διερεύνηση του μηχανισμού της τριοδικής λειτουργίας στο ηλεκτρόδιο της ανόδου, καθώς και με τροποποιημένα, δυαδικά και τριαδικά, νανοδομημένα, κεραμομεταλλικά ηλεκτρόδια νικελίου (Au, Mo), προκειμένου να μελετηθεί συνδυαστικά η τριοδική λειτουργία, με τη συνεργιστική δράση των ενισχυμένων αυτών ανόδων, ως προς την εναπόθεση άνθρακα. Αρχικά στη διατριβή, περιγράφονται οι βασικές αρχές που διέπουν τη λειτουργία των κυψελών καυσίμου και κάποιες εισαγωγικές έννοιες που αφορούν τις φυσικές και χημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε αυτές. Επίσης, αναλύονται οι μηχανισμοί υποβάθμισης και απενεργοποίησης της καταλυτικής ενεργότητας των ανοδικών ηλεκτροδίων και οι τρόποι αντιμετώπισής τους. Έπειτα, περιγράφεται ο τριοδικός τύπος λειτουργίας των κυψελών καυσίμου και παρουσιάζονται οι κύριες πειραματικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για τον φυσικοχημικό και ηλεκτροχημικό χαρακτηρισμό των υλικών και διατάξεων που αναπτύχθηκαν. Επιπλέον, δίνεται η περιγραφή των πειραματικών διατάξεων ανάπτυξης των υλικών και αξιολόγησης της απόδοσής τους, των πειραματικών διαδικασιών, των πρωτοκόλλων δοκιμών και των ηλεκτροχημικών κελιών. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις στα τριοδικά κελιά, για τη διερεύνηση της ενίσχυσης της ηλεκτροχημικής απόδοσης κατά την εφαρμογή ηλεκτρολυτικού ρεύματος, στις διάφορες πειραματικές συνθήκες, με τροφοδοσία μεθανίου, αλλά και υδρογόνου. Επιπλέον πραγματοποιήθηκαν πειράματα σταθερότητας για τη διερεύνηση της συνεισφοράς του τριοδικού τύπου λειτουργίας, στην ενίσχυση της ανθεκτικότητας ενός κελιού SOFC, κατά τη λειτουργία του με τροφοδοσία μεθανίου. Η επίδραση του ηλεκτρολυτικού ρεύματος στην ανθεκτικότητα της ανόδου σε εναπόθεση άνθρακα, μελετήθηκε με εκτέλεση των δοκιμών σε απευθείας σύγκριση με τη συμβατική λειτουργία, σε συνθήκες που προσομοιάζουν πρακτικά συστήματα κυψελών SOFC. Για τον in situ ποσοτικό και μη καταστροφικό για το ηλεκτρόδιο της ανόδου, προσδιορισμό του εναποτεθειμένου άνθρακα, εφαρμόσθηκε η μέθοδος της αεριοποίησης με ατμό. Τα μακροχρόνια πειράματα σταθερότητας πραγματοποιήθηκαν για τη διερεύνηση της επίδρασης της τριοδικής λειτουργίας στην μακροχρόνια λειτουργία των κελιών, υπό συνθήκες εσωτερικής αναμόρφωσης μεθανίου. Η τριοδική λειτουργία οδήγησε σε αύξηση της απόδοσης της ισχύος, με καθαρό ενεργειακό κέρδος ή αύξηση της συνολικής θερμοδυναμικής απόδοσης, και του χρόνου ζωής των κελιών, κατά τη λειτουργία τους με πρακτικές συνθήκες αναμόρφωσης μεθανίου, σε όλα τα είδη κελιών που μελετήθηκαν. Η συνολική ποσότητα του εναποτιθέμενου άνθρακα κατά την τριοδική λειτουργία ήταν κατά 50-100% λιγότερη σε σχέση με την συμβατική λειτουργία, ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας. Παράλληλα προτάθηκε ο μηχανισμός ενίσχυσης της ανθεκτικότητας των ανόδων ως προς την εναπόθεση άνθρακα. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν πειράματα κλιμάκωσης μεγέθους σε ηλεκτροχημικά κελιά μεγαλύτερης επιφάνειας, σε μια προσπάθεια για την εφαρμογή της τριοδικής λειτουργίας χρησιμοποιώντας υλικά, διατάξεις και συνθήκες που προσομοιάζουν ένα πραγματικό σύστημα.