Ηλεκτροχημικές μετρήσεις συστοιχίας κυψέλης καυσίμου υδρογόνου υψηλής θερμοκρασίας τύπου PEM
Loading...
Date
2025-07-09
Authors
Ανδρικόπουλος, Χρίστος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Τα κελιά καυσίμου υδρογόνου τύπου PEM λειτουργούν σε χαμηλές ή υψηλές θερμοκρασίες, ανάλογα με τον ηλεκτρολύτη, και χρησιμοποιούν πολυμερική μεμβράνη που μεταφέρει πρωτόνια καιεμποδίζει τα ηλεκτρόνια. Χάρη στη μεγάλη πυκνότητα ισχύος, το μικρό βάρος και την ανθεκτική κατασκευή τους, είναι ιδανικά για μεταφορές. Είναι εύκολες στη χρήση και συντήρηση, ενώ αποτελούντον πιο διαδεδομένο τύπο κυψελών λόγω του γρήγορου χρόνου εκκίνησης και της απλής λειτουργίας τους.Η λειτουργία τους στηρίζεται στη μετατροπή της χημικής ενέργειας απευθείας σε ηλεκτρική καιθερμότητα μέσω ηλεκτροχημικών διεργασιών. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιείται ως καύσιμο υδρογόνο, το οποίο αντιδρά με οξυγόνο, παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια, θερμότητα και ως μοναδικόπαραπροϊόν το νερό. Η βασική του δομή περιλαμβάνει έναν ηλεκτρολύτη, ο οποίος λειτουργεί ωςαγωγός ιόντων, τοποθετημένο ανάμεσα σε δύο λεκτρόδια, την άνοδο και την κάθοδο, τα οποίαείναι ηλεκτρονιακοί αγωγοί με πορώδη επιφάνεια και επικαλυμμένα με καταλύτη. Σε αντίθεση μετις μπαταρίες, τα κελιά καυσίμου τροφοδοτούνται συνεχώς με αέρια από εξωτερικές πηγές. Το υδρογόνο εισέρχεται στην άνοδο, όπου πραγματοποιούνται οι αντιδράσεις οξείδωσης, ενώ το οξυγόνο ή ο αέρας διοχετεύεται στην κάθοδο για τις αντιδράσεις αναγωγής. Η θερμότητα και το νερόπου παράγονται πρέπει να απομακρύνονται διαρκώς, ώστε να διασφαλίζεται σταθερή ισόθερμη λειτουργία, η οποία είναι απαραίτητη για τη βέλτιστη και αποδοτική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.Για τον λόγο αυτό, η αποτελεσματική διαχείριση της θερμότητας και του νερού αποτελεί βασικόστοιχείο στον σχεδιασμό και τη λειτουργία των κελιών καυσίμου.Οι μεμβράνες PBI εμπλουτισμένες με φωσφορικό οξύ προτιμώνται ολοένα και περισσότερο σεσύγκριση με άλλους τύπους μεμβρανών για τη θερμοκρασιακή περιοχή λειτουργίας των κυψελώνκαυσίμου υψηλών θερμοκρασιών (HT-PEMFC) (120-160 °C). Αυτό συμβαίνει διότι οι συνηθισμένοιηλεκτρολύτες χαμηλής θερμοκρασίας, όπως οι πολυμερικοί ηλεκτρολύτες υπερφθοριωμένου σουλφονικού οξέος (π.χ. Nafion®), δεν είναι κατάλληλοι για θερμοκρασίες άνω των 80 °C, καθώς χάνουντην ικανότητα αγωγιμότητας πρωτονίων και τη μηχανική τους σταθερότητα. Αντίθετα, οι μεμβράνες PBI, όταν υποβάλλονται σε κατάλληλη επεξεργασία και εμπλουτίζονται με φωσφορικό οξύ (H₃PO₄),επιτυγχάνουν αποδοτική αγωγιμότητα πρωτονίων χωρίς την ανάγκη νερού. Στην παρούσα εργασίαχρησιμοποιήθηκαν μεμβράνες τύπου TPS, όπου η δομή της απαρτίζεται από αρωματικούς πολυαιθέρες με ομάδες πυριδίνης. Αυτού του τύπου οι μεμβράνες έχουν το πλεονέκτημα ότι παρουσιάζουνμεγαλύτερη σταθερότητα σε συνθήκες υψηλότερων θερμοκρασιών και πίεσης.Τα κελιά καυσίμου ενώνονται σε σειρά για να σχηματιστεί μια συστοιχία, η οποία αποδίδει μεγαλύτερη ισχύ και τάση από τα μεμονωμένα κελιά. Ιδιαίτερη σημασία στην έρευνα των συστοιχιώναυτών, συνιστά η διάταξη ηλεκτροδίου-ηλεκτρολύτη (Membrane Electrode Assembly, MEA), ο καταλύτης, οι διπολικές πλάκες (bipolar plates) και οι τερματικές πλάκες (end plates), ο σχεδιασμόςτων καναλιών στις διπολικές πλάκες (gas flow fields) και τα στεγανοποιητικά υλικά (sealing gaskets).Σχεδόν όλα τα τμήματα, από τα οποία απαρτίζεται μία συστοιχία κελιών καυσίμου, υπόκεινται σευποβάθμιση και η απόδοση της συστοιχίας επηρεάζεται αρνητικά, καθώς τα υλικά διαβρώνονται.Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία στοχεύει στην κατασκευή μιας συστοιχίας ηλεκτρικής ισχύος 300W, στα πλαίσια συμβολαίου με την Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία (ESA), που αποτελείται από 13 MEAs ενεργής επιφάνειας 100cm2το καθένα. Παρασκευάστηκαν Εργαστηριακά MEAsκαι αξιολογήθηκαν ως προς την απόδοση και την σταθερότητα τους σε συνθήκες υψηλής πίεσης καιθερμοκρασίας. Σχεδιάστηκε σύστημα ψύξης νερού δύο φάσεων με στόχο την διατήρηση και τηνομοιογενή κατανομή της θερμοκρασίας λειτουργίας της συστοιχίας στους 200 oC. Τέλος κατασκευάστηκε η συστοιχία και μελετήθηκε η απόδοση και η σταθερότητα της.
Description
Keywords
Υδρογόνο, Κελιά καυσίμου, Συστοιχίες