Μαθηματική μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση τριοδικής λειτουργίας κυψελίδων καυσίμων
Authors: Μαρτίνο Ευτυχία 
Published: March 2021

Η ενέργεια σε όλες τις μορφές της, αποτελεί αδιαμφισβήτητα το πιο αναγκαίο αγαθό για την διαβίωση αλλά και την πολιτισμική, οικονομική και κοινωνική εξέλιξη του ανθρώπινου είδους επάνω στον πλανήτη. Όμως στις μέρες μας, η αναζήτηση και εκμετάλλευση των πηγών που παρέχουν επαρκή ενέργεια σε μια συνεχώς αυξανόμενη σε πληθυσμό παγκόσμια κοινωνία, ο τρόπος διαχείρισης της σε συνδυασμό με τη διεθνή ανησυχία για την κλιματική αλλαγή εξαιτίας των αέριων εκπομπών που εκλύονται από τη χρήση ορυκτών καυσίμων, καθώς και η ανάγκη κάθε χώρας για διασφάλιση συνεχούς και φθηνής ενέργειας συνθέτουν ένα σύγχρονο μωσαϊκό ενεργειακών προκλήσεων. Λόγω της αυξανόμενης ρύπανσης της ατμόσφαιρας από τα απαέρια που παράγονται από την καύση των συμβατικών καυσίμων, θεσπίστηκαν αυστηροί κανόνες σχετικοί με την ποιότητα αλλά και την ποσότητα των καυσαερίων που μπορούν να εκπεμφθούν. Παράλληλα, η ενοχοποίηση του διοξειδίου του άνθρακα για το φαινόμενο του θερμοκηπίου, καθιστά κάθε καύσιμο, που περιέχει στο μόριό του άνθρακα, έναν πιθανό ρυπαντή. Επιπλέον, τα περιορισμένα αποθέματα των συμβατικών καυσίμων σε συνδυασμό με τις μεγάλες απαιτήσεις σε ποσότητα, οδηγούν στο υψηλό τους κόστος και σύντομα στην εξάντλησή τους. Η αντικατάσταση των συμβατικών καυσίμων από εναλλακτικές μορφές ενέργειας είναι αναπόφευκτη. Το υδρογόνο ως καύσιμο αποτελεί μια τέτοια περίπτωση, καθώς αποτελεί το πιο απλό, ελαφρύ και «πανταχού παρόν» στοιχείο στο σύμπαν. Η οικονομία που θα βασίζει κάθε ενεργειακή απαίτηση της ανθρωπότητας στο καύσιμο υδρογόνο και θα προβλέπει την παραγωγή, διανομή και αποθήκευσή του, ονομάζεται «οικονομία υδρογόνου». Πρωταγωνιστικό ρόλο σε μια τέτοια οικονομία θα διαδραματίζει ο αντιδραστήρας όπου θα πραγματοποιείται η καύση του υδρογόνου προς παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ονομάζεται κυψέλη καυσίμου. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται η μελέτη των κυψελών καυσίμου χαμηλής θερμοκρασίας που χρησιμοποιούν ως καύσιμο υδρογόνο και πιο συγκεκριμένα η τριοδική λειτουργία αυτών. Αναλυτικότερα στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ιδέα της «οικονομίας υδρογόνου», οι πηγές, οι μέθοδοι παραγωγής, αποθήκευσης και διανομής του. 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. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το φαινόμενο των πολλαπλών μονίμων καταστάσεων των κυψελών καυσίμου πρωτονιακής αγωγιμότητας με τη χρήση πολυμερικής μεμβράνης Nafion. Το φαινόμενο αυτό παρατηρήθηκε για πρώτη φορά στο εργαστήριο Χημικών Διεργασιών και Ηλεκτροχημείας του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών το 2004. Σύμφωνα με το φαινόμενο αυτό, αν σε μια κυψέλη καυσίμου η τροφοδοσία είναι χαμηλής συγκέντρωσης σε υδρογόνο, τότε στην καμπύλη τάσης-έντασης, I-U, σε μια τιμή ρεύματος είναι δυνατό να 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 παράμετροι αυτές αφορούν τα ποσοστά ενυδάτωσης της πολυμερικής μεμβράνης Nafion, τη μεταβολή της θερμοκρασίας της κυψέλης, καθώς και την ύπαρξη μονοξειδίου του άνθρακα («δηλητηρίου») στην τροφοδοσία της ανόδου. Τέλος έγινε μελέτη των επιμέρους υπερτάσεων της κυψέλης καυσίμου κατά την εμφάνιση του φαινομένου αυτού χρησιμοποιώντας την τεχνική της διακοπής ρεύματος. Σε κάθε περίπτωση έγινε σύγκριση των αποτελεσμάτων με τις προβλέψεις του θεωρητικού μοντέλου. Το τρίτο κεφάλαιο κλείνει με τα συμπεράσματα καθώς και με κάποιες προτάσεις για μελλοντική εργασία. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά η τριοδική λειτουργία κυψελών καυσίμου, μια καινοτομία που εφαρμόστηκε για πρώτη φορά στο ίδιο εργαστήριο αρχικά σε κυψέλες καυσίμου SOFC και στη συνέχεια σε PEM με σκοπό τη βελτιστοποίηση της απόδοσης αυτών των κυψελών όταν οι υπερτάσεις που δημιουργούνται λόγω δηλητηρίασης είναι ιδιαίτερα υψηλές. Κατά την τριοδική λειτουργία χρησιμοποιείται ένα τρίτο ηλεκτρόδιο ως βοηθητικό, και συνεπώς δημιουργείται ένα επιπλέον δεύτερο βοηθητικό κύκλωμα το οποίο λειτουργεί με ηλεκτρολυτικό τρόπο. Αυτό επιτρέπει τη λειτουργία της κυψέλης σε δυναμικά τα οποία κατά τη συμβατική λειτουργία δεν είναι επιτρεπτά. Στο κεφάλαιο αυτό, γίνεται εκτενής ανάλυση του μηχανισμού που διέπει την τριοδική λειτουργία, καθώς παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μαθηματικής μοντελοποίησης βασισμένης στους νόμους του Kirchhoff αλλά και στην αριθμητική επίλυση της εξίσωσης Nernst-Planck με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων μέσα στον ηλεκτρολύτη. Παράλληλα, η μαθηματική μοντελοποίηση υποδεικνύει τις παραμέτρους που πρέπει να ληφθούν υπόψη για την βελτιστοποίηση του σχεδιασμού μια τριοδικής κυψέλης καυσίμου. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά η πειραματική διάταξη και διαδικασία που ακολουθήθηκε κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων, καθώς και τα πειραματικά αποτελέσματα που ελήφθησαν. Τα πειράματα αυτά αφορούσαν στη δοκιμή της τριοδικής λειτουργίας σε εργαστηριακές κυψέλες καυσίμου και σκοπός τους ήταν η βελτιστοποίηση της απόδοσης της κυψέλης παρουσία και απουσία μονοξειδίου του άνθρακα στην τροφοδοσία της ανόδου. Για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας της τριοδικής κυψέλης πραγματοποιήθηκε ο σχεδιασμός και η κατασκευή μιας κυψέλης καυσίμου από Teflon, βασισμένης στο μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε. Διερευνήθηκε ο ρόλος της γεωμετρίας του ανοδικού και του βοηθητικού ηλεκτροδίου, καθώς επίσης και ο ρόλος της σύστασης σε μονοξείδιο του άνθρακα, όπως επίσης και η επίδραση της θερμοκρασίας στην τριοδική λειτουργία της κυψέλης με χρήση πολυμερικής μεμβράνης Nafion. Επιπροσθέτως, έγινε μελέτη της τριοδικής λειτουργίας με τη χρήση πολυμερικής μεμβράνης PBI και υδρογόνου ως καυσίμου και επιπλέον, έγιναν πειράματα τριοδικής λειτουργίας με χρήση μεθανόλης ως καυσίμου. Σε κάθε περίπτωση παρουσιάζεται η συμφωνία ανάμεσα στα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη μαθηματική μοντελοποίηση και στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν. Τέλος, παρατηρήθηκε πως η τριοδική λειτουργία ενισχύει τη συνολική απόδοση της κυψέλης σε βαθμό που κάθε φορά εξαρτάται από τις συνθήκες λειτουργίας της αλλά και από τις κατασκευαστικές της παραμέτρους.