Αναγεννούμενες κυψέλες καυσίμου τύπου πολυμερικής μεμβράνης (RPEMFC)
Authors: Παπαζήση Καλλιόπη-Μαρία 
Published: August 2021

Οι κυψέλες καυσίμου αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για την παραγωγή καθαρής ενέργειας. Μεταξύ των διαφόρων τεχνολογιών, οι Κυψέλες Καυσίμου τύπου Πολυμερικής Μεμβράνης αποτελούν ιδανική επιλογή για εφαρμογές όπου απαιτούνται χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας (< 100οC), μηδενικοί αέριοι ρύποι και γρήγορη εκκίνηση/διακοπή λειτουργίας του συστήματος. Τα τελευταία χρόνια η παγκόσμια ερευνητική κοινότητα έχει στραφεί στην έρευνα και ανάπτυξη διατάξεων τύπου πολυμερικής μεμβράνης για την ηλεκτρόλυση του νερού, καθώς είναι δυνατό να παραχθεί υπερκαθαρό υδρογόνο και οξυγόνο από νερό παρέχοντας την απαιτούμενη ενέργεια. Επίσης, γίνεται λόγος για την ανάπτυξη αυτοσυντηρούμενων συστημάτων, δηλαδή συστημάτων τα οποία είναι δυνατό να παράγουν και να καταναλώνουν ενέργεια με βάση τις απαιτήσεις. Τέτοια συστήματα αποτελούν και οι Αναγεννούμενες Κυψέλες Καυσίμου τύπου Πολυμερικής Μεμβράνης, οι οποίες συνδυάζουν μια διάταξη ηλεκτρόλυσης νερού για την παραγωγή υδρογόνου και οξυγόνου, τα οποία αποθηκεύονται, και μια διάταξη κυψέλης καυσίμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση των αποθηκευμένων αερίων. Οι Ενοποιημένες Αναγεννούμενες Κυψέλες Καυσίμου PEM (URFC) συνδυάζουν την κυψέλη καυσίμου και την διάταξη ηλεκτρόλυσης σε ένα σύστημα. Παρά τα πλεονεκτήματα, οι διατάξεις αυτές αντιμετωπίζουν σημαντικούς περιορισμούς, όπως: (α) απόδοση και σταθερότητα του διλειτουργικού ηλεκτροδίου οξυγόνου, (β) διάβρωση του φορέα από άνθρακα, της στιβάδας διάχυσης αερίων και των διπολικών πλακών. Επίσης τα υψηλά θετικά δυναμικά κατά την αντίδραση της έκλυσης οξυγόνου (OER) πρακτικά ορίζουν ένα όριο στη διάρκεια ζωής του υποστηριγμένου καταλύτη. Οι καταλύτες που συνήθως χρησιμοποιούνται στο διλειτουργικό ηλεκτρόδιο οξυγόνου είναι Pt και Ir. Κύριος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη νανοδομημένων μεγάλης ειδικής επιφάνειας ηλεκτροκαταλυτών με βάση το ιρίδιο, του τύπου IrxM1-xΟ2, Μ = Pt και Ru με υψηλή απόδοση και σταθερότητα για την OER σε διατάξεις ηλεκτρόλυσης PEM αλλά και για την αναγωγή του οξυγόνου σε αναγεννούμενες διατάξεις URFC. Συγκεκριμένα αναπτύχθηκαν τα οξείδια του τύπου: α. IrxPt1-xO2, x = 1, 0.8, 0.5 και 0.2 και β. IryRu1-yO2, y = 1, 0.9, 0.7 και 0.5 χρησιμοποιώντας την τροποποιημένη μέθοδο Adams. Τα οξείδια αποτελούνταν από μικρά σωματίδια και είχαν την επιθυμητή δομή και σύσταση. Η εγγενής ηλεκτροκαταλυτική ενεργότητα και η σταθερότητα των ηλεκτροκαταλυτών κατά την οξειδοαναγωγική λειτουργία μελετήθηκε με κυκλική βολταμετρία και καμπύλες γραμμικής σάρωσης του δυναμικού. Βάσει των αποτελεσμάτων του ηλεκτροχημικού χαρακτηρισμού αναγνωρίστηκαν τα αποδοτικότερα και σταθερότερα οξείδια κατά την OER και αναπτύχθηκαν σε ανοδικά ηλεκτρόδια οξυγόνου διατάξεις ηλεκτροδίων-ηλεκτρολύτη (ΜΕΑ), χρησιμοποιώντας Nafion®115 ως ηλεκτρολυτική μεμβράνη και εμπορικό ηλεκτρόδιο Pt/C ως ηλεκτρόδιο υδρογόνου. Σε κάθε περίπτωση το καθαρό IrO2 αποτέλεσε τον σταθερότερο και αποδοτικότερο ηλεκτροκαταλύτη για την αντίδραση έκλυσης οξυγόνου, ενώ το μικτό οξείδιο Ir0.5Ru0.5O2 εμφάνισε χαμηλότερη απόδοση με εξίσου ικανοποιητική σταθερότητα. Όσον αφορά τα διμεταλλικά οξείδια Ir-Pt, δεν παρατηρήθηκε η αναμενόμενη διλειτουργική τους απόδοση τόσο κατά την αντίδραση έκλυσης οξυγόνου όσο και αναγωγής του. Μεταξύ αυτών, την καλύτερη απόδοση στην ηλεκτρόλυση του νερού παρουσίασε το Ir0.5Pt0.5O2, σημαντικά όμως μικρότερη από αυτή του καθαρού IrO2.