Ηλεκτροχημικές μετρήσεις συστοιχίας κυψέλης καυσίμου υδρογόνου υψηλής θερμοκρασίας τύπου PEM
| datacite.contributor.RelatedPerson | Καρανικολός, Γεώργιος | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Κυριακού, Γεώργιος | |
| datacite.contributor.Supervisor | Νεοφυτίδης, Στυλιανός | |
| dc.contributor.author | Ανδρικόπουλος, Χρίστος | |
| dc.contributor.other | Andrikopoulos, Christos | |
| dc.date.accessioned | 2025-11-28T11:29:56Z | |
| dc.date.available | 2025-11-28T11:29:56Z | |
| dc.date.issued | 2025-07-09 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.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. | |
| dc.description.translatedabstract | PEM fuel cells operate at low or high temperatures depending on the electrolyte and use a polymer membrane that conducts protons while blocking electrons. Thanks to their high power density,low weight, and robust construction, they are ideal for transportation applications. They are easy touse and maintenance and represent the most widespread type of fuel cell due to their fast startuptime and simple operation.Their operation is based on the direct conversion of chemical energy into electrical energy andheat through electrochemical processes. Specifically, hydrogen is used as fuel, which reacts with oxygen to produce electrical energy, heat, and water as the only by-product. Their basic structure includes an electrolyte, which is an ion conductor, placed between two electrodes, the anode and thecathode, which are electron conductors with porous surfaces coated with a catalyst. Unlike batteries,fuel cells are continuously supplied with gases from external sources. Hydrogen enters the anode,where oxidation reactions occur, while oxygen or air is directed to the cathode where reduction reactions take place. The heat andwater produced must be constantly removed to ensure stable isothermal operation, which is essential for optimal and efficient energy production. For this reason,effective heat and water management is a key aspect in the design and operation of fuel cells.PBI membranes doped with phosphoric acid are increasingly preferred over other types of membranes for the operating temperature range of High Temperature PEM fuel cells (120–160 °C). Thisis because conventional low-temperature electrolytes, such as perfluorosulfonic acid polymer electrolytes (e.g., Nafion®), are not suitable for temperatures above 80 °C, as they lose their proton conductivity and mechanical stability. In contrast, PBI membranes, when appropriatel treated and doped with phosphoric acid (H₃PO₄), achieve efficient proton conductivity without the need for water[3]. In this study, TPS type membranes were used, whose structure consists of aromatic polyetherswith pyridine groups. These types of membranes have the advantage of greater stability under highertemperature and pressure conditions. Fuel cells are connected in series to form a stack, which delivers greater power and voltage than individual cells. A critical research focus for these stacks is the membrane electrode assembly (MEA), the catalyst, the bipolar plates, the end plates, the flow field design on the bipolar plates, and the sealing gaskets. Nearly all components comprising a fuel cell stack are subject to degradation, and the stack’s performance is negatively affected as materials corrode. This thesis aims at constructing a 300 W power stack, within the framework of a contract with the European Space Agency (ESA), consisting of 13 MEAs, each with an active area of 100 cm². MEAs were fabricated in the laboratory and evaluated in terms of their performance and stability under high pressure and temperature conditions. A two-phase water cooling system was designed with the goal of maintaining and evenly distributing the stack’s operating temperature at 200 °C. Finally, the stack was constructed and its performance and stability were studied. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/31013 | |
| dc.language.iso | el | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Greece | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/ | |
| dc.subject | Υδρογόνο | |
| dc.subject | Κελιά καυσίμου | |
| dc.subject | Συστοιχίες | |
| dc.subject.alternative | Hydrogen | |
| dc.subject.alternative | Fuel cells | |
| dc.subject.alternative | Stacks | |
| dc.title | Ηλεκτροχημικές μετρήσεις συστοιχίας κυψέλης καυσίμου υδρογόνου υψηλής θερμοκρασίας τύπου PEM | |
| dc.title.alternative | Electrochemical measurements of high temperature hydrogen PEM fuel cell stack |
Files
Original bundle
1 - 1 of 1
Loading...
- Name:
- ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ_Ανδρικόπουλος Χρίστος_Ιούλιος_2025.pdf
- Size:
- 2.09 MB
- Format:
- Adobe Portable Document Format
License bundle
1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
- Name:
- license.txt
- Size:
- 5.02 KB
- Format:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Description: