Ανάπτυξη καινοτόμων κυψελίδων καυσίμου για την εσωτερική αναμόρφωση βιοαερίου με ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

In the present thesis, long term stability tests were performed in order to investigate the practical performance of two types of innovative biogas fueled SOFCs; an intermediate and a high temperature SOFC based on gadolinia doped ceria (GDC) and yttria stabilized zirconia (YSZ) solid electrolytes, respectively. These direct-biogas fuel cells can be successfully used as central key units in biological waste treatment processes for electrical energy or/and H₂ production, with high efficiency and in an environmental friendly way. Both, high temperature YSZ-SOFC with Ni-YSZ cermet anode and intermediate temperature GDC-SOFC with Ni-GDC cermet anode operated with biogas feeds appear to be promising for electrical energy production. An equimolar CH₄/CO₂ feed ratio maximizes the rate of the dry internal reforming reaction of methane and consequently the electrical energy output characteristics of both cells, although they operate satisfactorily in a variety of biogas compositions including poor-quality biogases. Generally, both cells exhibit remarkable stability for long term operation (~600hrs), except for the intermediate temperature GDC-SOFC, consisting of Ni-GDC anode fueled by poor biogas. This exception is probably due to the contribution of GDC anode support to the internal reforming reaction of methane and eventually deteriorates the electrodic anode operation.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκαν πειράματα σταθερότητας με σκοπό να μελετηθεί η απόδοση δύο τύπων καινοτόμων κυψελίδων καυσίμου βιοαερίου στερεού ηλεκτρολύτη, υψηλής και ενδιάμεσης θερμοκρασίας, βασισμένων σε στερεό ηλεκτρολύτη YSZ και GDC αντίστοιχα. Οι κυψελίδες αυτές αναπτύσσονται με σκοπό να χρησιμοποιηθούν ως κεντρικές μονάδες σε διεργασίες βιολογικής επεξεργασίας αστικών και βιομηχανικών αποβλήτων για την άμεση και φιλική προς το περιβάλλον παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή/και Η₂. Και οι δυο κυψελίδες, η υψηλών θερμοκρασιών κυψελίδα καυσίμου βασισμένη σε στερεό ηλεκτρολύτη YSZ με άνοδο Ni-YSZ, και η κυψελίδα ενδιάμεσων θερμοκρασιών βασισμένη στο GDC με κεραμομεταλλική άνοδο Ni-GDC, που λειτούργησαν με τροφοδοσία βιοαερίου εμφανίζουν ελπιδοφόρα αποτελέσματα στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η ισομοριακή σύσταση CH₄/CO₂ μεγιστοποιεί τον ρυθμό της αντίδρασης εσωτερικής ξηρής αναμόρφωσης του μεθανίου και κατά συνέπεια και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας των δύο κυψελίδων αν και αυτές λειτουργούν ικανοποιητικά σε ποικιλία συστάσεων βιοαερίου συμπεριλαμβανομένης και της φτωχής σε μεθάνιο σύστασης. Γενικά, και οι δύο κυψελίδες παρουσιάζουν σταθερή συμπεριφορά σε μακρόχρονη λειτουργία (~600hrs), με εξαίρεση την περίπτωση της κυψελίδας ενδιάμεσων θερμοκρασιών με άνοδο Ni-GDC υπό τροφοδοσία φτωχού σε μεθάνιο βιοαερίου όπου πιθανόν η συμμέτοχη του φορέα GDC στην αντίδραση εσωτερικής αναμόρφωσης του μεθανίου να έχει ως αποτέλεσμα καταστρεπτικές συνέπειες στην ηλεκτροδιακή λειτουργία της ανόδου.