Μελέτη του φαινομένου πολλαπλών μόνιμων καταστάσεων σε συμβατικές κυψέλες καυσίμου και μελέτη, μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση τριοδικών κυψελών καυσίμου

• Κύριος συγγραφέας: Μαρτίνο, Ευτυχία
• Άλλοι συγγραφείς: Κατσαούνης, Αλέξανδρος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2016
• Θέματα: Κυψέλες καυσίμου; Κυψέλες καυσίμου πρωτονιακής αγωγιμότητας; Φαινόμενο των πολλαπλών μονίμων καταστάσεων; Τριοδική λειτουργία; Τριοδικές κυψέλες καυσίμου; Fuel cells; Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC); 621.312 429

Η αυξανόμενη μόλυνση της ατμόσφαιρας από τους αέριους ρύπους, που παράγονται από την καύση των διαφόρων τύπων καυσίμων, οδήγησε στην θέσπιση αυστηρών κανόνων σχετικά με την ποιότητα των καυσαερίων, κυρίως στις αναπτυγμένες χώρες. Επιπλέον, η θεωρία του «θερμοκηπίου», που σχεδόν έχει επικρατήσει ότι ισχύει, οδήγησε στην ενοχοποίηση και του διοξειδίου του άνθρακα, κάτι που πρακτικά σημαίνει ότι κάθε καύσιμο που περιέχει άνθρακα (και καίγεται έστω και με τέλεια καύση) είναι και ρυπαντής. Ακόμη, η τιμή των καυσίμων αυτών αυξάνεται συνεχώς και υπάρχει η άποψη της σχετικά γρήγορης εξάντλησης των αποθεμάτων τους. Η παγκόσμια ζήτηση ενέργειας αυξάνεται, ενώ τα αποθέµατα ορυκτών καυσίµων που αποτελούν την πρωτογενή πηγή ενέργειάς µας σήµερα, μειώνονται. Οι ενεργειακές απαιτήσεις του μέλλοντος καθώς και η σοβαρή ρύπανση του περιβάλλοντος στρέφει το ερευνητικό ενδιαφέρον στην αντικατάσταση των μη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως είναι τα ορυκτά καύσιμα, από άλλες πηγές ενέργειας όπως είναι το υδρογόνο, που είναι το απλούστερο, ελαφρύτερο αλλά και πιο διαδεδομένο στοιχείο του σύμπαντος. Όλα τα παραπάνω, οδήγησαν στην ιδέα της «οικονομίας του υδρογόνου». Δηλαδή, να γίνει αντικατάσταση των συμβατικών καυσίμων με υδρογόνο για θέρμανση, κίνηση και παραγωγή ηλεκτρισμού. Σύμφωνα με την ιδέα αυτή, το υδρογόνο μέσω των ‘’κυψελών καυσίμου’’ θα παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία γίνεται μελέτη των κυψελών καυσίμου χαμηλής θερμοκρασίας τύπου PEM με χρήση υδρογόνου ως κύριο καύσιμο. Πιο συγκεκριμένα στο Πρώτο Κεφάλαιο γίνεται μια μικρή ανασκόπηση στην «Οικονομία του Υδρογόνου», στις πηγές και στις μεθόδους παραγωγής του υδρογόνου καθώς και στους τρόπους με τους οποίους αποθηκεύεται και διανέμεται αυτό. Στο Δεύτερο Κεφάλαιο της εργασίας παρουσιάζεται η τεχνολογία των κυψελών καυσίμου, η αρχή λειτουργίας τους καθώς και οι θερμοδυναμικές αρχές που τις διέπουν. Στην συνέχεια περιγράφονται εκτενώς τα χαρακτηριστικά των κυψελών καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης, τα state-of-the-art υλικά που χρησιμοποιούνται καθώς επίσης δίδονται συνοπτικά κάποια στοιχεία που αφορούν τις εφαρμογές και τα έσοδα των συστοιχιών των κυψελών καυσίμου. Το φαινόμενο των πολλαπλών μονίμων καταστάσεων που παρατηρήθηκε για πρώτη φορά στο εργαστήριο Χημικών Διεργασιών και Ηλεκτροχημείας του Τμήματος Χημικών Μηχανικών Πάτρας το 2004 παρουσιάζεται στο Τρίτο Κεφάλαιο. Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται κατά την λειτουργία των κυψελίδων PEM (που χρησιμοποιούν ως ηλεκτρολύτη πολυμερική μεμβράνη Nafion) όπου σε μια καμπύλη I-U, σε μια τιμή ρεύματος αντιστοιχούν δύο τιμές δυναμικού Αρχικά, παρουσιάζεται το θεωρητικό μοντέλο που έχει ήδη αναπτυχθεί και διέπει το φαινόμενο αυτό. Στη συνέχεια περιγράφεται αναλυτικά η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για την πραγματοποίηση πειραμάτων υπό μεταβολή διαφόρων βασικών λειτουργικών παραμέτρων του συστήματος σε συνθήκες εμφάνισης πολλαπλών μονίμων καταστάσεων. Οι παράμετρες αυτές αφορούν τα ποσοστά ενυδάτωσης της πολυμερικής μεμβράνης Nafion, τη μεταβολή της θερμοκρασίας της κυψέλης, καθώς και την ύπαρξη δηλητηρίου του μονοξειδίου του άνθρακα στην τροφοδοσία της ανόδου. Τέλος έγινε μελέτη των επιμέρους υπερτάσεων της κυψέλης κατά το φαινόμενο αυτό χρησιμοποιώντας την τεχνική της διακοπής ρεύματος. Σε κάθε περίπτωση έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων με τις προβλέψεις από το θεωρητικό μοντέλο. Το Τρίτο Κεφάλαιο κλείνει με τα συμπεράσματα καθώς και με κάποιες προτάσεις για μελλοντική εργασία. Η τριοδική λειτουργία κυψελών καυσίμου αποτελεί μια καινοτομία που εφαρμόστηκε για πρώτη φορά στο ίδιο εργαστήριο αρχικά σε κυψέλες καυσίμου SOFC και στην πορεία σε PEM με σκοπό τη βελτιστοποίηση της απόδοσης αυτών των κυψελών όταν οι υπερτάσεις που δημιουργούνται λόγω δηλητηρίων είναι ιδιαίτερα υψηλές. Η τριοδική λειτουργία παρουσιάζεται εκτενώς στο Τέταρτο και τελευταίο Κεφάλαιο όπου αρχικά γίνεται μια εισαγωγή και μια περιγραφή στις τριοδικές κυψέλες καυσίμου. Στην πορεία περιγράφεται αναλυτικά το θεωρητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε κατά την εργασία αυτή και περιγράφει την τριοδική λειτουργία ενώ έπειτα παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για τη διερεύνηση της. Για την περαιτέρω μελέτη και επιβεβαίωση του μοντέλου σχεδιάστηκε μία νέα κυψέλη διαφορετική από τις state-of-the-art κυψέλες η οποία επίσης παρουσιάζεται στο Τέταρτο Κεφάλαιο. Τέλος, τα αποτελέσματα των πειραμάτων καθώς και η εφαρμογή του θεωρητικού μοντέλου συζητούνται και το Κεφάλαιο κλείνει με τα συμπεράσματα και τις προτάσεις για πιθανή μελλοντική εργασία.