Βελτίωση ηλεκτροχημικής απόδοσης κυψέλης καυσίμου άμεσης τροφοδοσίας με ασφαλτούχο άνθρακα
Creators: name: Πανώρης, Κωνσταντίνος Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Κυψέλες καυσίμου άμεσης τροφοδοσίας άνθρακα
Ηλεκτροχημική απόδοση
Μέθοδοι χαρακτηρισμού
Direct carbon fuel cells
Electrochemical performance
Materials characterization methods

description: Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία διερευνά τη σκοπιμότητα βελτίωσης της ηλεκτροχημικής απόδοσης μίας κυψέλης καυσίμου άμεσης τροφοδοσίας άνθρακα (DCFC) του τύπου: CO2 + Ασφαλτούχος άνθρακας |Co-CeO2/YSZ/Ag| Αέρας, με την ταυτόχρονη προσθήκη ενός καταλύτη αεριοποίησης (Co/CeO2) και/ή εύτηκτου μίγματος ανθρακικών αλάτων Li-K στο καύσιμο άνθρακα. Οι ηλεκτροχημικές μετρήσεις έδειξαν μία αύξηση της παραγόμενης μέγιστης πυκνότητας ισχύος μέχρι 20 και 80% για τα μείγματα τροφοδοσίας, άνθρακα/καταλύτη και άνθρακα/καταλύτη/ανθρακικά άλατα, σε σύγκριση με την ηλεκτροχημική απόδοση που επιτυγχάνεται στην περίπτωση τροφοδοσίας καθαρού άνθρακα στους 700 °C, αποδεικνύοντας την αποτελεσματικότητα της διεργασίας DCFC που ενισχύεται με την προσθήκη καταλύτη και ανθρακικών αλάτων. Από τα πειραματικά αποτελέσματα προέκυψε μία συσχέτιση μεταξύ του ρυθμού σχηματισμού CO και της μέγιστης πυκνότητας ισχύος που επιτυγχάνεται, υποδηλώνοντας τον σημαντικό ρόλο του in situ παραγόμενου CO, μέσω της αντίστροφης αντίδρασης Boudouard, που ενισχύεται παρουσία καταλύτη και ανθρακικών αλάτων, επί της συνολικής ηλεκτροχημικής απόδοσης της DCFC. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία, αρχικά πραγματοποιείται μία εκτενή αναφορά στις τάσεις που επικρατούν στον τομέα της ενέργειας, όπου παρουσιάζονται οι τάσεις ανά περιοχή καθώς και ποια καύσιμα καταναλώνονται κυρίως για την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων. Έμφαση δίνεται στην σημασία της αποδοτικότερης αξιοποίησης των φθηνών και άφθονων στερεών ορυκτών καυσίμων μέσω της χρήσης της τεχνολογίας κυψελών καυσίμων άμεσης τροφοδοσίας με άνθρακα. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρατίθενται γενικά στοιχεία που περιγράφουν το επιστημονικό υπόβαθρο της παρούσας διατριβής και συγκεκριμένα γίνεται αναφορά, για τις κυψέλες καυσίμου και ειδικότερα για τις κυψέλες καυσίμου άμεσης τροφοδοσίας άνθρακα, DCFC, που αποτελούν τις μοναδικές διατάξεις μετατροπής ενέργειας, όπου ο άνθρακας δύναται να μετατραπεί άμεσα σε ηλεκτρική ενέργεια σε υψηλότερες αποδόσεις και με χαμηλότερο περιβαλλοντικό αποτύπωμα σε σύγκριση με τους συμβατικούς ατμοηλεκτρικούς σταθμούς. Στη συνέχεια περιγράφεται αναλυτικά η πειραματική διαδικασία καθώς και οι διάφορες διατάξεις και επιστημονικός εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκαν για την πραγματοποίηση των φυσικοχημικών χαρακτηρισμών των μιγμάτων τροφοδοσίας και των ηλεκτροχημικών μετρήσεων DCFC. Αναφέρονται αναλυτικά όλα τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν, ο τρόπος προετοιμασίας του καταλύτη καθώς και η προετοιμασία και οι μέθοδοι χαρακτηρισμού των μειγμάτων καυσίμου που αποτέλεσαν την κύρια τροφοδοσία. Επίσης περιγράφεται ο αέριος χρωματογράφος για την ανάλυση του ρεύματος εξόδου από την άνοδο της DCFC καθώς και οι ηλεκτροχημικές τεχνικές που εφαρμόστηκαν όπως η φασματοσκοπία εμπέδησης σύνθετης αντίστασης και οι μετρήσεις κυψέλης καυσίμου. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται και αναλύονται τα αποτελέσματα των φυσικοχημικών χαρακτηρισμών των μιγμάτων τροφοδοσίας καυσίμου καθώς των ηλεκτροχημικών πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν με χρήση ασφαλτούχου άνθρακα ως καυσίμου σε κυψέλη καυσίμου DCFC με ταυτόχρονη προσθήκη καταλύτη αεριοποίησης και ανθρακικών αλάτων. Τέλος παρατίθενται τα συμπεράσματα που προκύπτουν καθώς και επιπλέον ερευνητικά ζητήματα που πιθανώς χρήζουν διερεύνησης μελλοντικά.
description: The present work explores the feasibility to improve the performance of a Direct Carbon Fuel Cell (DCFC) of the type: CO2 + Bituminous Coal|Co-CeO2/YSZ/Ag|Air by infusing a gasification catalyst (Co/CeO2) and/or Li-K carbonates mixture into the carbon fuel. An increase of the power output up to ca. 20 and 80% is achieved for carbon/catalyst and carbon/catalyst/carbonates mixtures, respectively, compared to bare carbon at 700oC, demonstrating the effectiveness of the catalyst-aided DCFC process as well as the potential synergy between catalyst and carbonates. A close relationship between the CO formation rate and the maximum power output is obtained, implying the key role of in situ formed CO, through the catalyst/carbonates-aided reverse Boudouard reaction, on the overall DCFC performance. Initially in the first chapter of this master thesis, the current global energy sector and its trends are analyzed, including the energy consumption per region and per energy vector. Emphasis is given on the importance to explore novel and energy efficient routes for the cheap and abundant solid fossil fuels through the employment of directly fed carbon fuel cells. In the second chapter, the main relevant theoretical background is presented, focusing on the energy efficient and environmentally friendly fuel cells and particularly on the Direct Carbon Fuel Cell (DCFC), which is the only energy conversion device, where solid carbon can be directly converted to electricity at higher efficiencies and with a significantly lower environmental footprint compared to conventional Rankine cycle power plants. In the next chapter, a description of the employed experimental set up, devices and techniques is provided. Initially, the flow system comprising of the gas feeding unit, the electrochemical cell, the high temperature furnace and the gas chromatograph is presented. In the following, the methods to synthesize the catalyst and to prepare the feedstock mixtures are analysed, while the variety of techniques to characterize the employed Bituminous fuel and the feedstock mixtures are briefly described. Finally, the principles of the employed electrochemical techniques (AC impedance spectroscopy studies and fuel cell measurements) to assess the DCFC performance are provided. The fourth chapter is devoted to the description and analysis of the experimental results, involving the characterization studies of the feedstock mixtures as well as the results achieved by the DCFC electrochemical experiments. As a conclusion, the thesis is completed by a chapter where the main research outputs are presented, while suggestions for further research are also proposed.