Ηλεκτροκαταλύτες Δομής Περοβσκίτη La0.75Sr0.25Cr1-yMyO3, y=0.1, 0.5, Μ = Mn, Fe, Co, Ni για Κυψέλες Καυσίμου Στερεού Ηλεκτρολύτη (SOFC) Τροφοδοτούμενες με CO
Creators: name: Παπαζήση, Καλλιόπη-Μαρία Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2012
Subjects: Κυψέλη Καυσίμου Στερεού Ηλεκτρολύτη
Περοβσκιτικά ανοδικά ηλεκτρόδια
Τροφοδοσία μονοξειδίου του άνθρακα
Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
Perovskite anode electrodes
CO-fueled

description: Ελληνική Περίληψη Οι τρέχουσες ενεργειακές ανάγκες καλύπτονται κυρίως από τα αποθέματα ορυκτών καυσίμων, που όπως είναι γνωστό η χρήση τους επιβαρύνει σημαντικά το περιβάλλον. Εκτός αυτού η παγκόσμια ενεργειακή ζήτηση αυξάνεται με ταχύτατους ρυθμούς με αποτέλεσμα τα αποθέματα να εξαντλούνται και το κόστος τους να γίνεται ολοένα και μεγαλύτερο. Για τους παραπάνω λόγους η ανθρωπότητα έχει οδηγηθεί στην αναζήτηση νέων μεθόδων παραγωγής ενέργειας υψηλών αποδόσεων και περιβαλλοντικά φιλικών. Προς επίτευξη των παραπάνω, πλήθος ερευνητικών δραστηριοτήτων έχει στραφεί στις κυψέλες καυσίμου κυρίως εξαιτίας της δυνατότητάς τους για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας τόσο σε σταθερές όσο και κινητές εφαρμογές. Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα των κυψελών καυσίμου είναι η υψηλή απόδοση για την απευθείας μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική, οι χαμηλές έως και μηδαμινές εκπομπές οξειδίων θείου και αζώτου καθώς και υδρογονανθράκων, και οι σημαντικά μειωμένες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα συγκριτικά με τις συμβατικές μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα των κυψελών καυσίμου SOFC είναι η ευελιξία στη χρήση καυσίμου. Έτσι, μπορούν να τροφοδοτηθούν με υδρογόνο, μονοξείδιο του άνθρακα, υδρογονάνθρακες και γενικότερα άνθρακες. Εξίσου σημαντικό πλεονέκτημα αποτελεί η αντοχή τους στις διάφορες προσμίξεις των καυσίμων. Εξαιτίας της υψηλής θερμοκρασίας λειτουργίας απαιτούνται σταθερά ανοδικά υλικά, που εμποδίζουν την εναπόθεση άνθρακα. Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής ήταν η ανάπτυξη υλικών της δομής περοβσκίτη (ΑΒΟ3), της μορφής La0.75Sr0.25Cr1-yMyO3 (M = Mn, Fe, Co, Ni, y = 0.1, 0.5), με στόχο την υψηλή τους απόδοση και σταθερότητα για την ηλεκτροχημική οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα σε Κυψέλη Καυσίμου SOFC, σε θερμοκρασιακό εύρος 900-1000οC. Βασικό κίνητρο αποτέλεσε το γεγονός ότι τα υλικά αυτά, τα οποία εμφανίζουν μικτή αγωγιμότητα, θα μπορούσαν να εμφανίσουν υψηλότερη απόδοση, σταθερότητα και ανθεκτικότητα στην εναπόθεση άνθρακα σε σύγκριση με το state-of-the-art υλικό ανόδων SOFC, Ni-YSZ, το οποίο παρουσιάζει κατά κύριο λόγο το πρόβλημα της εναπόθεσης άνθρακα. Το Κεφάλαιο 1 αναφέρεται στο θεωρητικό μέρος των κυψελών καυσίμου και ειδικότερα των κυψελών καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφονται οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για τον φυσικοχημικό χαρακτηρισμό των περοβσκιτικών υλικών και ηλεκτροδίων που αναπτύχθηκαν καθώς και οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν. Το Κεφάλαιο 3 αναφέρεται στα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τον φυσικοχημικό χαρακτηρισμό. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα συγκριτικά αποτελέσματα της απόδοσης των μοναδιαίων κυψελών με τις περοβσκιτικές ανόδους που αναπτύχθηκαν σε λειτουργία SOFC τροφοδοτούμενες με CO. Από τη σύγκριση προκύπτει ότι το βέλτιστο υλικό ήταν το La0.75Sr0.25Cr0.9Fe0.1Ο3. Ακολουθεί βελτιστοποίηση της απόδοσης του παραπάνω υλικού εισάγοντας ένα υπόστρωμα οξειδίου δημητρίου-γαδολινίου (CGO) μεταξύ του ανοδικού ηλεκτροδίου και του ηλεκτρολύτη αυξάνοντας σημαντικά την απόδοση. Περαιτέρω βελτιστοποίηση με προσθήκη υποστρώματος κράματος LSM-YSZ μεταξύ του ηλεκτροδίου της καθόδου LSM και τον ηλεκτρολύτη και μελέτη σε εντονότερες αναγωγικές συνθήκες οδήγησε σε επιπλέον αύξηση της απόδοσης κατά συνολικά 180% συγκριτικά με την αρχική λειτουργία χωρίς καμία βελτιστοποίηση. H βελτιστοποιημένη κυψέλη της μορφής LSCFe0.1-CGO//YSZ//LSM-YSZ/LSM μελετήθηκε όσον αφορά τη σταθερότητά της σε χρόνο λειτουργίας 120 h. Υπήρξε εξαιρετικά σταθερή, με συνολική μείωση της απόδοσης κατά 5.7%. Τέλος στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα γενικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή και προτάσεις για μελλοντική εργασία.
description: The current energy demand is met mainly by fossil fuels. As known, their use is considered to be the main reason for the environmental pollution. As the world energy demand is increasing rapidly with a sequence effect in the fossil fuel reserves, that diminishing, their cost is becoming greater and greater. For the above reasons, the community has been led in researching of new methods for energy production with high efficiencies and environmental friendly. To this direction, many of the worldwide research interests are focused in fuel cells, mainly due to their ability for stationary and mobile production of electric power. The main advantages of fuel cells are the high efficiency for the direct conversion of chemical energy into electricity, the low or zero emission of sulfur and nitrogen oxides as well as of hydrocarbons, and the significantly reduced carbon dioxide emissions compared to the fossil fuels’ electricity production. The main advantage of solid oxide fuel cells (SOFCs) is the fuel usage flexibility. So, they could be fueled with hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbons and coal. Equally, a major advantage and it is also related to the high operation temperature, is the tolerance in fuel poisoning components. Related to the high operating temperature, stable anode materials are required, which hinder carbon formation. Scope of the present master thesis was the development of electrocatalytic materials with perovskite structure (ABO3), of the type La0.75Sr0.25Cr1-yMyO3 (M = Mn, Fe, Co, Ni, y = 0.1, 0.5), aiming at high efficiency and stability for the electrochemical oxidation of carbon monoxide in a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), at the temperature range of 900-1000oC. The motivation for this study was the idea that these mixed conducting materials, could yield higher efficiency, stability and tolerance to carbon deposition compared to the state-of-the-art Ni/YSZ, which suffers mainly from carbon deposition. Chapter 1 refers to the basic principles of fuel cells and especially on solid oxide fuel cells. Chapter 2 overviews the techniques used for the physicochemical characterization of the perovskite materials and electrodes developed as well as the experimental set ups. In Chapter 3, results and discussion about the physicochemical characterization are presented. Chapter 4 refers to the comparative results of the CO-fueled SOFCs’ efficiency with the perovskite materials developed as anode electrodes. The best performance was achieved with the perovskite material La0.75Sr0.25Cr0.9Fe0.1Ο3 as anode. In order to optimize the material’s performance, a CGO interlayer was applied between anode material and electrolyte resulted in a significant efficiency increase. Further optimization of the cell, where the anode was exposed to more reductive conditions, by the addition of an interlayer of a cermet LSM-YSZ between cathode electrode and electrolyte led to a higher increase of efficiency of totally 180% compared to the initial operation of the cell without optimization. The optimized cell LSCFe0.1-CGO//YSZ//LSM-YSZ/LSM was studied for its stability during 120 h of operation at the more reductive conditions and the performance was remarkably stable with a total reduction of 5.7%. Finally in Chapter 5, the general conclusions resulted from this master thesis, as well as some proposals for future studies in continuation of the present work are presented.