Ηλεκτρόλυση Η2Ο/CO2 σε διατάξεις υψηλής θερμοκρασίας για την παραγωγή ενεργειακών φορέων
Creators: name: Μπιμπίρη, Ναούμα Αργυρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Ηλεκτρόλυση
Υψηλή θερμοκρασία
Αέριο σύνθεσης
Electrolysis
High temperature
Synthesis gas

description: Τα ολοένα και αυξανόμενα απαιτούμενα επίπεδα ενέργειας παγκοσμίως, σε συνδυασμό τόσο με την εξάντληση των πηγών για εξόρυξη των ορυκτών καυσίμων που αποτελούν τη βασική πηγή ενέργειας, όσο και με την κλιματική αλλαγή που είναι αποτέλεσμα των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα, έχουν οδηγήσει στην ανάγκη για την εύρεση και εφαρμογή εναλλακτικών πηγών ενέργειας. Η εκμετάλλευση του παραγόμενου διοξειδίου του άνθρακα από πλήθος εγκαταστάσεων κλπ. προς παραγωγή αερίου σύνθεσης, είναι ένας αποδοτικός τρόπος αποθήκευσης πλεονάζουσας ενέργειας (από ΑΠΕ αλλά και απορριπτόμενη θερμότητα) με την μορφή ενεργειακών φορέων. Το παραγόμενο αέριο σύνθεσης είναι ένα μίγμα υδρογόνου και μονοξειδίου του άνθρακα, ενώ το όνομα του οφείλεται στο ότι αποτελεί την πρώτη ύλη για την παραγωγή αερίων ή υγρών υδρογονανθρακικών ενώσεων. Το υδρογόνο μπορεί επίσης να διαχωριστεί από τα προϊόντα, αφού αποτελεί έναν ιδανικό ενεργειακό φορέα, λόγω της μηδενικής εκπομπής βλαβερών ουσιών κατά την καύση του. Η ηλεκτρόλυση του διοξειδίου του άνθρακα και του νερού, είναι μια αποδοτική διεργασία παραγωγής αερίου σύνθεσης, ιδιαίτερα όταν διεξάγεται σε υψηλή θερμοκρασία. Στις κυψέλες ηλεκτρόλυσης στερεού οξειδίου (solid oxide cells, SOCs), η συνδυασμένη ηλεκτρόλυση γίνεται σε υψηλή θερμοκρασία, όπου οι ενεργειακές απαιτήσεις μειώνονται και η κινητική των αντιδράσεων βελτιώνεται δραστικά. Μια μοναδιαία διάταξη ηλεκτρόλυσης αποτελείται από δυο πορώδη ηλεκτρόδια και έναν ηλεκτρολύτη. Στο ηλεκτρόδιο καυσίμου (κάθοδος) λαμβάνει χώρα η αναγωγή του νερού και του διοξειδίου του άνθρακα, ενώ στο ηλεκτρόδιο του οξυγόνου (άνοδος), γίνεται η οξείδωση των ιόντων οξυγόνου που πέρασαν διαμέσου του ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη, είναι ο τυπικός αγωγός ιόντων οξυγόνου ζιρκονία σταθεροποιημένη με ύττρια (yttria stabilized zirconia, YSZ). Τα κεραμικά ηλεκτρόδια που περιέχουν το νικέλιο, όπως είναι το κεραμομεταλλικό μίγμα Ni-YSZ, είναι τα πιο κοινά ηλεκτροδιακά υλικά σε τέτοιου τύπου διατάξεις καθώς είναι αρκετά αποδοτικά κατά τη συνδυασμένη ηλεκτρόλυση, λόγω της υψηλής καταλυτικής ενεργότητας και της ηλεκτρονικής αγωγιμότητας. Από την άλλη πλευρά, είναι πολύ πιθανό να υποστούν υποβάθμιση (ελάττωση απόδοσης), λόγω της ταχείας εναπόθεσης του άνθρακα πάνω σε αυτά ή τις επιμόλυνσης τους από προσμείξεις στην τροφοδοσία ή της οξείδωσής τους από το αντιδρών μείγμα και έτσι απαιτείται η συντροφοδοσία του με επαρκές υδρογόνο προκειμένου να διατηρούν την αγώγιμη μορφή τους. Τα ηλεκτροδιακά υλικά που δεν βασίζονται στο νικέλιο, όπως είναι οι ενώσεις περοβσκιτικής δομής ABO3 διαφέρουν από τα ηλεκτρόδια που αναφέρθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο, στο ότι δε χρειάζονται υδρογόνο για να διατηρούν την ηλεκτρονική τους αγωγιμότητα, και ταυτόχρονα δεν ευνοούνται σε αυτά αντιδράσεις που οδηγούν σε εναπόθεση άνθρακα. Ο υποκατεστημένος στη Β θέση χρωμίτης στροντίου λανθανίου αναπτύχθηκε ως ηλεκτρόδιο καυσίμου, ενώ ο μαγγανίτης στροντίου λανθανίου (εμπορικά διαθέσιμο υλικό) χρησιμοποιήθηκε ως ηλεκτρόδιο οξυγόνου. Τρεις διαφορετικές μοναδιαίες διατάξεις παρασκευάστηκαν προς μελέτη προκειμένου να μελετηθούν οι τρεις διαφορετικοί ηλεκτροκαταλύτες με γενικό τύπο La0.75Sr0.25Cr0.9M0.1O3 όπου M=Mn, Ni, Co. Ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της απόδοσης των τριών αυτών ηλεκτροκαταλυτών σε συνθήκες συνδυασμένης ηλεκτρόλυσης, σε υψηλές θερμοκρασίες και η ανάλυση του εξερχόμενου αερίου μίγματος από την κάθοδο, με αέριο χρωματογράφο, που συμβάλλει στην κατανόηση ορισμένων πραγμάτων γύρω από τις αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα (καταλυτικές και ηλεκτροχημικές), προς παραγωγή του μονοξειδίου του άνθρακα
description: The growing demand for energy all over the world, in conjunction with both the elimination of the main energy source, the fossil fuels, and the climate change that it’s caused by the carbon dioxide emissions, have increased the need for an alternative energy source. Furthermore, it’s important that the energy source doesn’t emit greenhouse gases (be clean) and be sustainable. An effective way to produce energy and eliminate the carbon dioxide emission, it’s to reclaim the amount of the carbon dioxide emissions for synthetic gas (syngas) production. The produced syngas it’s a composition of hydrogen and carbon monoxide and it is named after his use for production of further gaseous or liquid hydrocarbons, through mainly Fischer-Tropsch process. Hydrogen can also be separated from the syngas, in order to produce energy, as it’s an ideal clean energy carrier. The electrolysis of both CO2 and H2O it’s an effective way to produce syngas, especially while taking place at high temperature. High temperature co-electrolysis technologies, reduce simultaneously CO2 and H2O and the most important reason it exceeds the former technologies, it’s the fact that it doesn’t involve the fossil fuels in the whole process. In Solid Oxide Electrolyser Cells (SOECs), the co-electrolysis takes place in high temperature, where the energy demand is significantly reduced and the kinetic of the reactions is enhanced. One single electrolyser cell, comprises of two porous electrodes and an electrolyte. In the fuel electrode (cathode) is where the reduction of both water and carbon dioxide takes place and in the oxygen electrode (anode) the oxygen ions that has passed through the electrolyte are oxidized to oxygen gas. The electrolyte that it’s used in the present study it’s an oxygen ion conductor and it’s a state-of-the-art electrolyte, Yttria Stabilized Zirconia, YSZ. The Ni-based cermet electrodes, such as the standard Ni-YSZ electrode, are efficient in co-electrolysis due to their enhanced catalytic activity and electrical conductivity. On the other hand, they are prone to degradation because of the coke formation or the contamination of impurities and they need hydrogen in order to be redox stable. The Ni-metal free materials, such as the ones with the perovskite formula ABO3 differs from the former electrodes, as they don’t need hydrogen to maintain their conductivity, and they don’t promote reactions leading to coke formation. The doped lanthanum strontium chromites were developed as fuel electrodes and a mixture of lanthanum strontium manganate (LSM) with YSZ (commercial), was used as oxygen electrode. Despite the high performance and significant stability of the perovskite electrodes during electrolysis mode, degradation issues are still present. Three different single cells were prepared for examination in order to study these three different perovskite oxides: La0.75Sr0.25Cr1-yMyO3 where M=Mn, Ni, Co and y=0.1. The aim of this diploma thesis is to study the performance of these electrocatalysts in co-electrolysis, at high temperatures and the analysis of the cathode outlet gas, using Gas Chromatography, in order to gain insight and understanding on the reactions (catalytic and electrocatalytic) that actually take place in favor of CO formation