Συνδυασμένη ηλεκτρόλυση ατμού και διοξειδίου του άνθρακα σε διατάξεις τύπου στερεού οξειδίου (SOEC) με ηλεκτρόδια δομής περοβσκίτη
Authors: Μπιμπίρη Ναούμα 
Published: August 2023

Η μελέτη στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αφορά σε κυψέλες τύπου στερεού οξειδίου και πιο συγκεκριμένα στη διεργασία συνδυασμένης ηλεκτρόλυσης Η2Ο και CO2. Οι κυψέλες καυσίμου/ηλεκτρόλυσης τύπου στερεού οξειδίου (Solid Oxide Fuel Cells-SOFCs/Solid Oxide Electrolysis Cells-SOECs) αποτελούν ηλεκτροχημικές τεχνολογίες παραγωγής ή/και αποθήκευσης ενέργειας που μπορούν να συμβάλλουν καθοριστικά στην ενεργειακή απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα και στην αξιοποίηση διαθέσιμων πόρων χωρίς επιπτώσεις στο περιβάλλον. Στην παρούσα μελέτη αναπτύχθηκαν υλικά με δομή περοβσκίτη, τα οποία παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον και προοπτική ως εναλλακτικά των τυπικών υλικών με βάση το Ni ως ηλεκτρόδια καυσίμου κυψελών στερεού οξειδίου, χάρις στα θετικά τους χαρακτηριστικά με πιο σημαντικά την οξειδοαναγωγική σταθερότητα και τη μικτή αγωγιμότητα. Τα υλικά που αναπτύχθηκαν ήταν χρωμίτες λανθανίου στροντίου με απλή Β-υποκατάσταση του Cr με Fe σε δύο ποσοστά: La0.75Sr0.25Cr0.9Fe0.1O3-δ και La0.75Sr0.25Cr0.5Fe0.5O3-δ καθώς και χρωμίτες με διπλή Β-υποκατάσταση με Fe-Ti και Fe-V: La0.75Sr0.25Cr0.9Fe0.05Ti0.05O3-δ, La0.75Sr0.25Cr0.9Fe0.05V0.05O3-δ και La0.75Sr0.25Cr0.5Fe0.25V0.25O3-δ. Τα υλικά αυτά μελετήθηκαν ως προς την αγωγιμότητά τους στο θερμοκρασιακό εύρος 500oC-900oC, και σε διαφορετικές αέριες συστάσεις: από πλήρως αναγωγική (H2) έως πλήρως οξειδωτική (O2), σε τροφοδοσία ατμού και σε μίγματα Η2Ο-CO2 με και χωρίς τη συν-τροφοδοσία Η2. Στη συνέχεια τα υλικά αυτά εφαρμόστηκαν ως ηλεκτρόδια καυσίμου σε πρότυπες μοναδιαίες διατάξεις (button cells), οι οποίες μελετήθηκαν ως προς την ηλεκτροχημική απόδοσή τους στη συνδυασμένη ηλεκτρόλυση Η2O και CO2 σε θερμοκρασίες 800oC-900°C, μέσα από την καταγραφή καμπυλών τάσης-έντασης ρεύματος και φασμάτων εμπέδησης. Από την μελέτη προέκυψε ότι τα υλικά με απλή υποκατάσταση του Cr από Fe σε ποσοστά 10% και 50% και με διπλή Β-υποκατάσταση με Fe-Ti και Fe-V σε ποσοστό 10% παρουσίασαν μέγιστη αγωγιμότητα σε πλήρως οξειδωτική ατμόσφαιρα, υποδεικνύοντας αγωγιμότητα τύπου p. Το υλικό με διπλή υποκατάσταση του Cr με Fe-V σε ποσοστό 50% χαρακτηρίζεται από αγωγιμότητα τύπου n. Η προσθήκη του V βρέθηκε ότι έχει θετική επίδραση τόσο στην αγωγιμότητα του χρωμίτη, αλλά και στην ηλεκτροχημική του απόδοση σε συνδυασμένη ηλεκτρόλυση, ενώ η προσθήκη Ti οδήγησε σε μειωμένη αγωγιμότητα και απόδοση. Το υλικό που παρουσίασε τη βέλτιστη απόδοση στο θερμοκρασιακό εύρος μελέτης ήταν αυτό με απλή υποκατάσταση του Cr με Fe σε ποσοστό 10% (La0.75Sr0.25Cr0.9Fe0.1O3-δ). Το υλικό αυτό μελετήθηκε ως ηλεκτρόδιο καυσίμου σε διάταξη ηλεκτρόλυσης για διαφορετικούς λόγους H2O/CO2 (S/C)= 0.5, 1 και 2, παρουσία και απουσία Η2 στην τροφοδοσία. Η απόδοση δε φάνηκε να επηρεάζεται από τους λόγους S/C ή την απουσία H2 στην τροφοδοσία. Ωστόσο, οι διαφορετικοί λόγοι S/C βρέθηκε ότι επηρεάζουν τη σύσταση του παραγόμενου αερίου σύνθεσης (Η2-CO), η οποία ήταν σταθερή για το εύρος τιμών ρεύματος που εφαρμόστηκαν. Η ηλεκτρόλυση CO2 ενδέχεται να συμμετέχει στην παραγωγή του CO και η πιθανότητα αυτή αυξάνει με την ελάττωση του λόγου S/C, σε συνθήκη ωστόσο που αναμένεται να επικρατεί και η καταλυτική αντίδραση RWGS. Τέλος, η μελέτη μοναδιαίων κελιών βασισμένων σε ηλεκτρολύτες ζιρκονίας (YSZ, ScCeSZ) μικρού πάχους (100-150μm), χρησιμοποιώντας το βέλτιστο ηλεκτροκαταλύτη καυσίμου, έδειξαν πολύ υψηλές αποδόσεις (i~ 1.8 A cm-2) και μεγάλη σταθερότητα, χαρακτηριστικά τα οποία είναι καίριας σημασίας για την εδραίωση της τεχνολογίας SOFCs/SOECs, αναδεικνύοντας έτσι τη δυνατότητα των διατάξεων για κλιμάκωση μεγέθους και την προοπτική της εξέλιξης αυτής της τεχνολογίας.