Κατασκευή διατάξεων και μελέτη της λειτουργίας μιας συστοιχίας κελιών καυσίμου υδρογόνου τύπου PEM

Thumbnail Image
Date
2022-10-17
Authors
Λυμπεράκη, Μαρία Βασιλική
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Οι κυψέλες καυσίμου αποτελούν ηλεκτροχημικές διατάξεις οι οποίες επιτρέπουν την απευθείας μετατροπή της χημικής ενέργειας ενός καυσίμου σε ηλεκτρική. Η λειτουργία τους βασίζεται σε μία αντίδραση οξείδωσης ενός καυσίμου η οποία λαμβάνει χώρα στην άνοδο και σε μία αντίδραση ανα-γωγής ενός οξειδωτικού μέσου η οποία λαμβάνει χώρα στην κάθοδο. Το κυριότερο καύσιμο που χρησιμοποιείται στις κυψέλες καυσίμου είναι το υδρογόνο το οποίο παράγεται συνήθως από διεργα-σίες αναμόρφωσης υδρογονανθράκων ή αλκοολών ενώ σαν οξειδωτικό χρησιμοποιείται αέρας ή κα-θαρό οξυγόνο. Οι κυψέλες καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης (ΡΕΜ) χρησιμοποιούν ηλεκτρολύτη αγωγιμότητας Η+, λειτουργούν σε μεγάλο σχετικά θερμοκρασιακό εύρος μεταξύ των 40-200oC. Αποτελούν μία πολλά υποσχόμενη τεχνολογία λόγω των χαμηλών εκπομπών και υψηλών αποδόσεων η οποία μέχρι πρόσφατα εφαρμοζόταν κυρίως σε ερευνητικό επίπεδο εξαιτίας υψηλού κόστους και ζητημάτων ανθεκτικότητας και αξιοπιστίας, πλέον όμως, βρίσκεται πολύ κοντά στο στάδιο της εμπο-ρευματοποίησης. Η λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες (160-200oC, High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, HT-PEMFCs) παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με την τεχνο-λογία των χαμηλών θερμοκρασιών (40-80oC, Low Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, LT-PEMFCs), προσδίδοντας στην κυψελίδα υψηλότερη ανοχή σε ακαθαρσίες της τροφοδοσίας υδρογόνου (π.χ. μονοξείδιο του άνθρακα), ευκολότερη διαχείριση της εκλυόμενης θερμότητας και της υγρασίας, υψηλότερες κινητικές και αποδόσεις. Η τάση μιας μοναδιαίας κυψελίδας καυσίμου είναι πολύ χαμηλή για να τροφοδοτήσει εφαρμογές σε πραγματική κλίμακα και ως εκ τούτου, συνήθως, συνδέονται πολλές κυψελίδες σε σειρά για να σχηματίσουν μια συστοιχία κυψελίδων καυσίμου ικανή να παράξει μεγαλύτερη τάση. Μια συ-στοιχία PEMFC αποτελείται συνήθως από διπολικές πλάκες (bipolar plates), διατάξεις ηλεκτροδίου ηλεκτρολύτη (MEAs), στεγανοποιητικά υλικά (sealing gaskets) και τερματικές πλάκες (end plates). Γενικότερα, έχουν διεξαχθεί εκτεταμένες πειραματικές έρευνες όσον αφορά στην απόδοση μιας μοναδιαίας κυψελίδας PEMFC ενώ οι έρευνες σε επίπεδο συστοιχίας έχουν συγκεντρώσει χαμηλότερο ποσοστό ενδιαφέροντος. Η έρευνα ενός κελιού επικεντρώνεται κυρίως στις ιδιότητες των χρησιμοποιούμενων υλικών όπως ο πολυμερικός ηλεκτρολύτης, ο καταλύτης, το σχέδιο των καναλιών ροής της διπολικής πλάκας κ.ο.κ.. Η έρευνα σε επίπεδο συστοιχίας επικεντρώνεται κυρίως σε μακροσκοπικά ζητήματα όπως η απόδοση και η ανθεκτικότητα. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή, η λειτουργία και η αξιολόγηση της απόδοσης μιας συστοιχίας κυψελών καυσίμου HT-PEMFC ισχύος 1kW. Εκτενής έρευνα είχε πραγματοποιηθεί εκ των προτέρων από την εργαστηριακή ομάδα του Ι.Τ.Ε/Ι.Ε.Χ.ΜΗ επάνω σε μια συστοιχία κυψελών καυσίμου μικρότερης κλίμακας για την επιλογή των υλικών που στελεχώνουν την κυψέλη και για τον τρόπο συναρμολόγησής της. Πραγματοποιούνται, έτσι, μελέτες της βέλτιστης φόρτισης των ηλεκτροδίων ανόδου και καθόδου και κατά συνέπεια της ηλεκτροχημικής απόδοσης των διατάξεων ηλεκτροδίου-ηλεκτρολύτη χρησιμοποιώντας την συστοιχία μικρής κλίμακας. Αυτές οι μελέτες παρείχαν, λοιπόν, τις απαραίτητες πληροφορίες και δεδομένα για την κατασκευή μιας μεταλλικής συστοιχίας HT-PEMFC ισχύος 1kW με εσωτερική υγρή ψύξη η οποία αποτελείται από τριάντα διατάξεις ηλεκτροδίου ηλεκτρολύτη των 200 cm2 και για πυκνότητα ρεύματος 0.3 A/cm2 και θερμοκρασία λειτουργίας ~180οC η παραγόμενη ισχύς της αγγίζει τα 1100 Watt.
Description
Keywords
Κυψέλες καυσίμου, Συστοιχίες κυψελών καυσίμου
Citation