| Περίληψη: | Ο στόχος της παρούσας εργασίας, η οποία πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο συμβολαίου με την Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία (ESA) (Contract No. 4000109578/13/NL/SC), ήταν η ανάπτυξη μιας συστοιχίας ηλεκτρόλυσης πολυμερικού ηλεκτρολύτη υψηλών πιέσεων, έως και 80 bar, ισχύος 1 kW για διαστημικές εφαρμογές. Πιο συγκεκριμένα, η αρχική εφαρμογή της συστοιχίας ήταν για την εγκατάστασή της σε δορυφόρους τηλεπικοινωνιών με στόχο τη μετατροπή της παραγόμενης, από φωτοβολταϊκά πάνελ, ηλιακής ενέργειας σε καθαρό «πράσινο» υδρογόνο, ενώ πλέον εξετάζεται και το ενδεχόμενο της χρήσης της και σε άλλες διαστημικές εφαρμογές.
Η συστοιχία ηλεκτρόλυσης τροφοδοτείται με υπερ-κάθαρο (3D) Η2Ο σε υγρή μορφή, στην πλευρά του ανοδικού ηλεκτροδίου, το οποίο με την επιβολή του απαραίτητου δυναμικού απ’ τα φωτοβολταϊκά πάνελ οξειδώνεται σε οξυγόνο, πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Το παραγόμενο οξυγόνο απομακρύνεται μαζί με το νερό, που δεν διασπάστηκε, ενώ τα κατιόντα υδρογόνου διαχέονται μέσω της πολυμερικής μεμβράνης, PEM, προς το καθοδικό ηλεκτρόδιο όπου και μετατρέπονται σε καθαρό υδρογόνο.
Ως καταλύτες χρησιμοποιήθηκαν μίγμα βασισμένο στο οξείδιο του ιριδίου (IrO2) και πλατίνα στη ριγμένη σε άνθρακα (Pt/C) για το ανοδικό και το καθοδικό ηλεκτρόδιο αντίστοιχα, καθώς και οι δύο χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερη χημική σταθερότητα και μεγάλη ανθεκτικότητα στις μηχανικές και θερμικές καταπονήσεις. Οι πολυμερικές μεμβράνες Nafion® (PFSA) αποτελούν την συνηθέστερη επιλογή για κελιά ηλεκτρόλυσης χαμηλής θερμοκρασίας, επειδή συνδυάζουν αυξημένη χημική σταθερότητα, σημαντική μηχανική και θερμική αντοχή και μεγάλη πρωτονιακή αγωγιμότητα.
Κατά την λειτουργία της συστοιχίας ηλεκτρόλυσης παρατηρείται παράλληλη μεταφορά μορίων υγρού νερού μαζί με τα παραγόμενα πρωτόνια, απ’ το ανοδικό προς το καθοδικό ηλεκτρόδιο, μέσω της πολυμερικής μεμβράνης, υπό το φαινόμενο της ηλεκτρο-ωσμωτικής παράσυρσης. Συνεπώς, πριν την αποθήκευσή τους, ως αέρια υψηλής καθαρότητας, τα δύο ρεύματα μάζας πρέπει να υποβληθούν σε διαδικασία ξήρανσης. Επίσης, υπό συγκεκριμένες προϋποθέσεις, παρατηρείται ανεπιθύμητη μεταφορά μέρους των παραγόμενων αερίων μεταξύ των δύο πλευρών της συστοιχίας, ένα φαινόμενο γνωστό ως διαπερατότητα αερίων (gas crossover). Το φαινόμενο της διαπερατότη τας των αερίων εκδηλώνεται και προς τις δύο κατευθύνσεις, με το οξυγόνο (Ο2) να συμπαρασύρεται μαζί με το νερό και την αντίστροφη μεταφορά του υδρογόνου (Η2) να εντείνεται σε περιπτώσεις που υπάρχει υπολογίσιμη διαφορά πίεσης μεταξύ των δύο πλευρών.
Η μεταφορά του υδρογόνου προς την ανοδική πλευρά είναι άκρως επικίνδυνη και μπορεί να ο δηγήσει στην δημιουργία εκρηκτικού μείγματος, καθώς η μεταφερόμενη ποσότητα είναι ανάλογη της διαφοράς πίεσης μεταξύ των δύο πλευρών. Πιο συγκεκριμένα, το ελάχιστο όριο δημιουργίας εκρηκτικής ατμόσφαιρας έχει υπολογιστεί στο 4% κατά mol H2 μέσα σε Ο2. Οι υψηλές πιέσεις, η εκρηκτικότητα του υδρογόνου αναμεμιγμένου (σε αναλογία μεγαλύτερη του 4% κατά mol) με οξυγόνο, και το ότι το υδρογόνο είναι το ελαφρύτερο στοιχείο στον περιοδικό πίνακα (άρα επιρρεπές προς διαρροές), εγείρουν σημαντικά θέματα ασφάλειας. Κατά συνέπεια, έγινε ενδελεχής έλεγχος
για εξωτερικές και εσωτερικές διαρροές.
Κατά τη λειτουργία της συστοιχίας ηλεκτρόλυσης διερευνήθηκε περαιτέρω, σε όλο το φάσμα των πιέσεων λειτουργίας, το φαινόμενο της διάχυσης/μεταφοράς του υδρογόνου (hydrogen crossover) μέσω του πολυμερικού ηλεκτρολύτη προς τη πλευρά του οξυγόνου. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση φασματογράφου μάζας, ο οποίος συνδέθηκε με το ρεύμα εξόδου του παραγόμενου οξυγόνου (πλευρά της ανόδου). Διαπιστώθηκε πως κατά την λειτουργία της συστοιχίας ηλεκτρόλυ σης σε ατμοσφαιρική πίεση το επί τις εκατό γραμμομοριακό κλάσμα του υδρογόνου προς οξυγόνο ήταν περίπου ίσο με 2% mol H2/O2, ίσο περίπου με το μισό του ορίου ασφαλείας για τη δημιουργία εκρηκτικού μίγματος, ενώ αυξανόμενης της πίεσης λειτουργίας έως και τα 80 bar το επί τις εκατό γραμμομοριακό κλάσμα του υδρογόνου προς οξυγόνο μειωνόταν.
Από θερμοδυναμικής άποψης η αύξηση της θερμοκρασίας ευνοεί την κινητική της συνολικής α ντίδρασης με αποτέλεσμα να απαιτείται λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια για την διάσπαση του νερού. Οι τρεις κύριοι λόγοι που μειώνουν την διάρκεια ζωής των κελιών ηλεκτρόλυσης είναι οι μεγάλες θερμικές, χημικές και μηχανικές καταπονήσεις που συνδυαστικά οδηγούν στην βαθμιαία υποβάθμιση των ηλεκτροδίων, στη μείωση των μηχανικών αντοχών και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του πορώδους συλλέκτη ρεύματος και στη σταδιακή λέπτυνση των πολυμερικών μεμβρανών από Nafion®. Οι υψηλές θερμοκρασίες (80 – 110 οC) οδηγούν σε σημαντική υποβάθμιση της πλειοψηφίας των μονωτικών υλικών του συστήματος, όπως και στην καταστροφή των πολυμερικών μεμβρανών. Πιο συγκεκριμένα η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας βρέθηκε πως είναι μεταξύ 70 οC και 80 οC με στόχο τόσο την βελτίωση της ηλεκτρικής απόδοσης του ηλεκτρολυτικού κελιού όσο της διάρκειας ζωής των υλικών.
Η συστοιχία ηλεκτρόλυσης υγρού Η2Ο υπό υψηλή πίεση που αναπτύχθηκε τελικά, ονομάστηκε HP-PEM ELY-1, έχει ονομαστική ισχύ 0.7-1 kW και βάρος 4.41 kg. Αναλυτικότερα, είναι ικανή να παράγει έως και 4 L·min-1 αέριου υδρογόνου και έως 2 L·min-1 αέριου οξυγόνου, ενώ μπορεί να λει τουργεί και ως συμπιεστής των παραγόμενων αερίων σε εύρος πιέσεων από 1 - 80 bar.
|
|---|
