Ανάπτυξη πολυμερικών ηλεκτρολυτών για εφαρμογές σε πολυμερικές κυψελίδες καυσίμου (PEMFC)
Authors: Γεωρμεζή Μαρία 
Published: August 2021

Ανάμεσα στις διάφορες νέες τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας που είναι φιλικές προς το περιβάλλον, οι υψηλής θερμοκρασίας κυψελίδες καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης (PEMFC) παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον αφού φαίνεται να πληρούν τις προϋποθέσεις για χρήση σε οχήματα, φορητές συσκευές και οικιακές εφαρμογές. Η λειτουργία σε υψηλή θερμοκρασία (> 100 ºC) έχει διάφορα πλεονεκτήματα όπως αύξηση της κινητικής των αντιδράσεων και χρήση όχι υψηλής καθαρότητας υδρογόνου ή/και χαμηλότερης ποσότητας του ακριβού καταλύτη Pt στα ηλεκτρόδια με αποτέλεσμα τη μείωση του συνολικού κόστους. Η καρδιά μιας κυψελίδας καυσίμου τύπου PEM αποτελείται από τα ηλεκτρόδια και τον πολυμερικό ηλεκτρολύτη. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονη δραστηριότητα όσον αφορά την εύρεση του κατάλληλου πολυμερικού ηλεκτρολύτη για την βελτιστοποίηση της ποιότητας και της απόδοσης των υψηλής θερμοκρασίας PEMFC. Ο ιδανικός πολυμερικός ηλεκτρολύτης θα πρέπει να είναι ανθεκτικός, να έχει καλές μηχανικές ιδιότητες, υψηλή θερμική, χημική και οξειδωτική σταθερότητα καθώς και υψηλή ιοντική αγωγιμότητα η οποία εξαρτάται από την ικανότητά του να εμποτίζεται με κάποιο μέσο όπως ένα ισχυρό οξύ.Η δική μας προσέγγιση στην ανάπτυξη νέων πολυμερικών δομών οι οποίες πληρούν τις κατάλληλες προϋποθέσεις σχετίζεται με την εισαγωγή πλευρικών πολικών ομάδων σε πολυμερικές αρωματικές αλυσίδες. Οι αρωματικοί πολυαιθέρες είναι ελκυστικοί πολυμερικοί σκελετοί αφού είναι γνωστό ότι χαρακτηρίζονται από υψηλή θερμική/χημική σταθερότητα και καλές μηχανικές ιδιότητες. Η εισαγωγή πλευρικών πολικών ομάδων έχει ως στόχο την ύπαρξη κέντρων ικανών να αλληλεπιδράσουν με το Η3ΡΟ4 και να αυξήσουν το ποσοστό του ισχυρού οξέος που μπορούν να απορροφήσουν τα πολυμερή προσδίδοντάς τους την απαιτούμενη ιοντική αγωγιμότητα.Στη παρούσα διατριβή, συντέθηκαν τρεις νέες μονομερικές διόλες που περιείχαν δυο πλευρικούς δακτυλίους πυριδίνης ή πυρολλιδίνης. Με υψηλής θερμοκρασίας πολυμερισμό συμπύκνωσης των παραπάνω μονομερών και διαφορετικά αρωματικά διφθορίδια και διαφορετικές εμπορικές ή όχι διόλες προέκυψαν ομοπολυμερή και συμπολυμερή με δυο ή τρεις δομικές μονάδες. Τα συμπολυμερή ήταν διαλυτά σε κοινούς οργανικούς διαλύτες ενώ παρουσίασαν υψηλά μοριακά βάρη και εξαιρετική ικανότητα να σχηματίζουν μεμβράνες. Ακολούθησε χαρακτηρισμός των ιδιοτήτων τους με συμβατικές τεχνικές όπου και παρουσίασαν υψηλή θερμική και οξειδωτική σταθερότητα και υψηλές θερμοκρασίες μετάβασης υάλου. Επιπλέον, μελετήθηκε η ικανότητα εμποτισμού με οξύ σε υψηλά ποσοστά, απαραίτητη προϋπόθεση για τα επιθυμητά επίπεδα αγωγιμότητας. Μίγματα μεταξύ των νεοσυντιθέμενων συμπολυμερών με άλλα συμπολυμερή παρασκευάστηκαν με σκοπό το συνδυασμό των ιδιοτήτων των αρχικών συστατικών. Προέκυψαν έτσι, αναμίξιμα μίγματα με εξαιρετικές μηχανικές, θερμικές ιδιότητες, οξειδωτική σταθερότητα και καλή ικανότητα εμποτισμού με H3PO4. Η πλειοψηφία των υλικών που μελετήθηκαν έχουν τον επιθυμητό συνδυασμό ιδιοτήτων που τους δίνει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν ως ηλεκτρολύτες σε PEMFC υψηλών θερμοκρασιών.Μετά τη σύνθεση νέων πολυμερών, την παρασκευή μιγμάτων και το χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων τους ακολούθησε επιλογή αυτών που παρουσίασαν τον καλύτερο συνδυασμό ιδιοτήτων και εφαρμογή τους σε κυψελίδα καυσίμου τύπου ΡΕΜ. Ανάμεσα στα διάφορα υλικά, επιλέχθηκε το PPy(50)coPΕS και το dPPy(x)coPPy(y)coT(z)S και ακολούθησε παρασκευή των διατάξεων ηλεκτρολύτη/ ηλεκτροδίου (Μembrane Electrode Assembly, ΜΕΑ) χρησιμοποιώντας ως ηλεκτρολύτες τα παραπάνω υλικά και μελέτη σε κυψελίδα καυσίμου διαστάσεων 5x5 cm2. Διερευνήθηκαν διάφοροι παράμετροι που σχετίζονται με τις διάφορες υπερτάσεις και τη συμπεριφορά και απόδοση της κυψελίδας. Εκτενέστερα, μελετήθηκε η ποσότητα του H3PO4 στα ηλεκτρόδια και στη σχηματιζόμενη διεπιφάνεια ηλεκτρολύτη/ηλεκτροδίου και η επίδραση της μερικής πιέσης των Η2 και Η2Ο στην ηλεκτροκινητική συμπεριφορά της διεπιφάνειας. Τέλος, έγινε προκαταρκτική μελέτη της σταθερότητας του συστήματος με πειράματα μακράς διάρκειας σε συνθήκες σταθερής και δυναμικής λειτουργίας για χρήση σε υψηλής θερμοκρασίας κυψελίδες καυσίμου τύπου ΡΕΜ.