Κατασκευή διατάξεων και μελέτη της λειτουργίας μιας συστοιχίας κελιών καυσίμου υδρογόνου τύπου PEM
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...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2022
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | https://hdl.handle.net/10889/24185 |
| id |
nemertes-10889-24185 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Κυψέλες καυσίμου Συστοιχίες κυψελών καυσίμου High temperature PEM fuel cell Fuel cell stack |
| spellingShingle |
Κυψέλες καυσίμου Συστοιχίες κυψελών καυσίμου High temperature PEM fuel cell Fuel cell stack Λυμπεράκη, Μαρία Βασιλική Κατασκευή διατάξεων και μελέτη της λειτουργίας μιας συστοιχίας κελιών καυσίμου υδρογόνου τύπου PEM |
| description |
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. |
| author2 |
Lymperaki, Maria Vasiliki |
| author_facet |
Lymperaki, Maria Vasiliki Λυμπεράκη, Μαρία Βασιλική |
| author |
Λυμπεράκη, Μαρία Βασιλική |
| author_sort |
Λυμπεράκη, Μαρία Βασιλική |
| title |
Κατασκευή διατάξεων και μελέτη της λειτουργίας μιας συστοιχίας κελιών καυσίμου υδρογόνου τύπου PEM |
| title_short |
Κατασκευή διατάξεων και μελέτη της λειτουργίας μιας συστοιχίας κελιών καυσίμου υδρογόνου τύπου PEM |
| title_full |
Κατασκευή διατάξεων και μελέτη της λειτουργίας μιας συστοιχίας κελιών καυσίμου υδρογόνου τύπου PEM |
| title_fullStr |
Κατασκευή διατάξεων και μελέτη της λειτουργίας μιας συστοιχίας κελιών καυσίμου υδρογόνου τύπου PEM |
| title_full_unstemmed |
Κατασκευή διατάξεων και μελέτη της λειτουργίας μιας συστοιχίας κελιών καυσίμου υδρογόνου τύπου PEM |
| title_sort |
κατασκευή διατάξεων και μελέτη της λειτουργίας μιας συστοιχίας κελιών καυσίμου υδρογόνου τύπου pem |
| publishDate |
2022 |
| url |
https://hdl.handle.net/10889/24185 |
| work_keys_str_mv |
AT lymperakēmariabasilikē kataskeuēdiataxeōnkaimeletētēsleitourgiasmiassystoichiaskeliōnkausimouydrogonoutypoupem AT lymperakēmariabasilikē constructionofassembliesandstudyoftheoperationofapemhydrogenfuelcellstack |
| _version_ |
1771297140568489984 |
| spelling |
nemertes-10889-241852022-12-16T04:34:31Z Κατασκευή διατάξεων και μελέτη της λειτουργίας μιας συστοιχίας κελιών καυσίμου υδρογόνου τύπου PEM Construction of assemblies and study of the operation of a PEM hydrogen fuel cell stack Λυμπεράκη, Μαρία Βασιλική Lymperaki, Maria Vasiliki Κυψέλες καυσίμου Συστοιχίες κυψελών καυσίμου High temperature PEM fuel cell Fuel cell stack 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. Fuel cells are electrochemical devices that can convert the chemical energy of a fuel directly into electrical energy. Their operation is based on an oxidation reaction of a fuel, which takes place at the anode, and a reduction reaction of an oxidizing agent, which takes place at the cathode. The main fuel used in fuel cells is hydrogen, which is usually produced by reforming processes of hydrocarbons or alcohols, while air or pure oxygen is used as an oxidizer. Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells use a membrane-type solid electrolyte that serves as a H+ conductor and they can operate in a relatively large temperature range between 40-200oC. Their low emissions and high yields make them a quite promising technology, which until recently was mainly applied at a research level due to high costs and issues of durability and reliability, but now it is closely approaching its commercializa-tion stage. Operation at high temperatures (160-200oC, High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, HT-PEMFCs) presents significant advantages compared to low temperature technology (40-80oC, Low Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, LT- PEMFCs), granting the cell high-er tolerance to impurities in the hydrogen feed (e.g. carbon monoxide), easier management of re-leased heat and moisture, higher kinetics and efficiencies. The voltage of a single cell is too low to power real life applications, and therefore, multiple cells are normally assembled in series to form a fuel cell stack that is capable to produces useful voltage. A PEM fuel cell stack usually consists of bipolar plates, membrane-electrode assemblies (MEAs), sealing gaskets and end plates. Although extensive research has been conducted considering the performance of a single PEMFC cell, stack level research has gathered less interest. Single cell research mainly focuses on the proper-ties of the materials used such as the polymer electrolyte, the catalyst, the design of the flow channels of the bipolar plate etc. Stack level research focuses primarily on macroscopic issues such as perfor-mance and durability. The purpose of this thesis is the manufacture, operation, and performance evaluation of a 1kW HT-PEMFC stack. Extensive research had been carried out in advance by the FORTH/ICE-HT laboratory team on a smaller-scale fuel cell stack, for the selection of the materials that make up the cell as well as its assembly method. Thus, using the small-scale stack a study is carried out of the optimum catalyst loading of the anode and cathode electrodes and consequently of the electrochemical perfor-mance of the electrode-electrolyte arrangements. Therefore, these studies provided the necessary information and data for the manufacture of a 1kW HT-PEMFC metal stack with internal liquid cooling, consisting of thirty electrolyte electrode arrangements with an area of 200 cm2 each and for a current density of 0.3 A/cm2 and an operating temperature around ~180oC its generated power reaches 1100 Watt. 2022-12-15T11:09:50Z 2022-12-15T11:09:50Z 2022-10-17 https://hdl.handle.net/10889/24185 el application/pdf |
