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

Abstract

Solid Oxide Fuel Cells have been considered as one of the most promising technologies for high-efficiency electric power generation. Ethanol is considered to be an alternative green fuel for fuel cell applications, with high energy density and could also overcome both the storage and infrastructure challenge of hydrogen for fuel cells. The direct use of ethanol on the anode electrode opens the pathway for various benefits, such as the higher efficiency by utilizing the heat which is released in chemical reactions, the simplification of the complexity of the system without the requirement of the fuel reformer and the reduction of the overall system cost. The complete electro-oxidation of ethanol to carbon dioxide and water is regarded to be a crucial matter and still remains a hard challenge. In this thesis, the ethanol steam reforming reaction is initially studied on silver (Ag) and platinum (Pt) catalysts. The experimental results showed the difficulty in dissociation of the carbon-carbon bond in ethanol’s molecule, leading to the formation of various byproducts such as acetaldehyde, carbon monoxide, methane, C2s, etc. Furthermore, the operation of three different configurations of solid oxide fuel cells fed directly with ethanol (DESOFCs) was studied. Firstly, Ag/YSZ/Ag and Pt/YSZ/Pt fuel cells were investigated and secondly an anode supported fuel cell Ni-YSZ/ScCeSZ/LSM was fabricated and tested. Finally, the performance of a PtCe/YSZ/PtPr fuel cell was evaluated and the products distribution was studied under both open and closed circuit conditions. It is proven that microstructure and choice of materials play a crucial role for the performance of the fuel cell. In all cases, the experimental results showed that the increase of power density was more rapidly enhanced above 600°C, which could be attributed to the improved ethanol reaction kinetics and to the higher ionic conductivity of the electrolyte at elevated temperatures. The maximum performance was achieved in Ni/ScCeSZ/LSM fuel cell which exhibited power density equal to 114 mW/cm² at 1000°C. In order to improve the electrochemical performance, new catalysts with higher electrochemical activity should be developed and studied. Moreover, new electrolyte materials with higher ionic conductivity at lower temperatures should be chosen, as well as the knowledge of reaction mechanisms and the associated kinetic rate constants must be known.

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 λευκόχρυσου (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 PtCe/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/cm² 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.