Μελέτη της ηλεκτροκαταλυτικής συμπεριφοράς και της ανθεκτικότητας σε μονοξείδιο του άνθρακα νανοδομημένων ηλεκτροκαταλυτών Pt/C και PtPd/C σε κυψέλη καυσίμου τύπου πολυμερικής μεμβράνης.
Creators: name: Tarda, Anis Mahmmoud
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: Κυψέλη Καυσίμου Πολυμερικής Μεμβράνης
Ηλεκτροκαταλύτης PtPd
Δηλητηρίαση από μονοξείδιο του άνθρακα
Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM)
PtPd electrocatalyst
CO poisoning

description: Οι κυψέλες καυσίμου είναι ηλεκτροχημικά συστήματα τα οποία επιτρέπουν την απευθείας μετατροπή της ελεύθερης χημικής ενέργειας ενός καυσίμου σε ηλεκτρική. Η λειτουργία τους βασίζεται σε μία αντίδραση οξείδωσης ενός καυσίμου, η οποία λαμβάνει χώρα στην άνοδο, και σε μία αντίδραση αναγωγής ενός οξειδωτικού μέσου, η οποία λαμβάνει χώρα στην κάθοδο. Οι κυψέλες καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης (ΡΕΜ) χρησιμοποιούν ως ηλεκτρολύτη έναν πολυμερικό αγωγό ιόντων Η+. Το θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας τους είναι 30-200°C και αποτελούν μία υποσχόμενη τεχνολογία, που βρίσκεται κοντά στο στάδιο της εμπορευματοποίησης, ειδικότερα στις μεταφορές (αντικατάσταση κινητήρων εσωτερικής καύσης). Το κυριότερο καύσιμο που χρησιμοποιείται στις κυψέλες καυσίμου είναι το Η2, το οποίο παράγεται συνήθως από διεργασίες αναμόρφωσης υδρογονανθράκων ή αλκοολών. Το μονοξείδιο του άνθρακα που παράγεται επίσης κατά την διαδικασία της αναμόρφωσης, αποτελεί ένα σημαντικό πρόβλημα στις κυψέλες καυσίμου τύπου ΡΕΜ, καθώς η ρόφηση του στην άνοδο της κυψέλης, παρεμποδίζει τη ρόφηση του Η2 και κατ’ επέκταση την απόδοσή της κυψέλης. Ο ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιείται συνήθως ως ανοδικό ηλεκτρόδιο στις κυψέλες καυσίμου PEM είναι ο λευκόχρυσος (Pt) διότι έχει υψηλή ηλεκτροκαταλυτική ενεργότητα. Δύο σημαντικά προβλήματα υπάρχουν στην χρήση της Pt στις κυψέλες ΡΕΜ: το υψηλό κόστος της και η δραστική απενεργοποίησή της από την παρουσία CO στην αέρια τροφοδοσία. Η χρήση διαφόρων κραμάτων του τύπου Ptx-M1-x/C, όπως Ptx-Pd1-x/C, οδηγεί σε αύξηση της ανθεκτικότητας του καταλύτη Pt σε CO και επομένως σημαντική μείωση του κόστους. Στην παρούσα εργασία μελετάται η ηλεκτροκαταλυτική συμπεριφορά και η ανθεκτικότητα σε CO νανοδομημένων ηλεκτροκαταλυτών Pt/C και Pt0.67Pd0.33/C σε μοναδιαία κυψέλη καυσίμου τύπου PEM. Στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής γίνεται μία εισαγωγή στην τεχνολογία των κυψελών καυσίμου, την αρχή λειτουργίας τους και τις θερμοδυναμικές αρχές που την διέπουν, την ταξινόμηση κυψελών καυσίμου, τους τύπους κυψελών καυσίμου και τέλος τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας αυτής στην παραγωγή ενέργειας. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται λεπτομερώς τα χαρακτηριστικά των κυψελών καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης PEM, η παρούσα τεχνολογική στάθμιση (state-of-the-art) των υλικών που χρησιμοποιούνται, το πρόβλημα της διαχείρισης του νερού και οι διεργασίες που ακολουθούνται προκειμένου ένα μίγμα αναμόρφωσης υδρογονανθράκων ή αλκοολών να γίνει κατάλληλο για τροφοδοσία σε μία κυψέλη PEM. Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται και μια σύντομη βιβλιογραφική ανασκόπηση των ερευνών που αφορούν την ανάπτυξη ηλεκτροκαταλυτών για κυψέλες καυσίμου PEM, ανθεκτικών στο μονοξείδιο του άνθρακα. Το τρίτο κεφάλαιο αφορά στο πειραματικό μέρος, όπου παρουσιάζονται λεπτομερώς η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε καθώς και η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε. Τέλος στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται η διαδικασία παρασκευής καταλυτών και διατάξεων ηλεκτροδίων/ηλεκτρολύτη (Membrane Electrode Assembly, MEA), καθώς και οι ιδιότητές τους (φυσικοχημικός χαρακτηρισμός) των υλικών (ηλεκτροκαταλυτών) που μελετήθηκαν. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα και η ανάλυσή τους. Συγκεκριμένα, αναλύονται η επίδραση της θερμοκρασίας λειτουργίας και του ποσοστού υγρασίας στο αέριο ρεύμα τροφοδοσίας της ανόδου και της καθόδου στην απόδοση της κυψέλης καυσίμου. Το σημαντικότερο μέρος της μελέτης αφορά την επίδραση της σύστασης τροφοδοσίας ανόδου, και συγκεκριμένα την επίδραση της παρουσίας CO στην άνοδο, στην απόδοση της κυψέλης καυσίμου.
description: Fuel cells are electrochemical systems that can convert the chemical energy of a reaction directly into electrical energy. Their operation is based on the oxidation of a fuel, taking part at the anode, and the reduction of an oxidant, taking part at the cathode. Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cells use as the electrolyte a polymer membrane with H+ conductivity. PEMs work at a temperature range 30-200°C and this technology is promising and close to commercialization, particularly in transportation. The most common fuel used is hydrogen, however, H2 is not directly available, and has to be extracted from other sources, usually via hydrocarbon or alcohol reforming. During this procedure carbon monoxide is formed as well. When a reformate mixture is fed to the anode of a PEM, CO adsorbs strongly on the anode, leaving few remaining sites for the adsorption of H2, and thus causing severe degradation in PEMs performance. Platinum (Pt) is the most commonly used anode electrocatalyst in PEM fuel cells because of its high electrocatalytic activity. However, Pt has two major problems: the high cost and the severe deactivation in the presence of CO at the anode gas supply. The use of various alloys of the type of Ptx-M1-x/C, as Ptx-Pd1-x/C leads to increased tolerance in CO and significant cost saving. The aim of this thesis was to study of electrocatalytic behavior, performance and tolerance to carbon monoxide of carbon supported Pt and Pt0.67Pd0.33 nanostructured PEM anode electrocatalysts. The first Chapter refers to the technology of fuel cells, their operating principles and the thermodynamic aspects, classification of fuel cells, types of fuel cells, and finally the advantages of this technology in energy production. Chapter 2 is focused on the PEM fuel cells, the state-of-the-art materials used, the problem of water management and the processes required in order to make hydrocarbon or alcohol reformate mixtures suitable for anodic oxidation in PEMs. Finally in this Chapter a short literature review on the development of PEM electrocatalysts tolerant to carbon monoxide is presented. Experimental details are given in Chapter 3, the experimental setup is described as well as the experimental procedure followed during the study. Detail is given also on the electrocatalysts synthesis method, their properties (physicochemical characterization via XRD) and on the preparation of membrane electrode assemblies (MEAs) studied. The fourth Chapter presents the experimental results and their analysis: the effect of cell operating temperature and water content in the gas stream feeding the anode and cathode, on the fuel cell performance. The major and most important part of the results refer to the effect of the anode feed composition, and specifically the anode CO content, on the PEM fuel cell performance and efficiency.