Μελέτη της επίδρασης των στρωμάτων διάχυσης αερίων και της πολυμερικής μεμβράνης στην απόδοση διατάξεων τύπου ΡΕΜ
Creators: name: Παγκαλίδου, Αναστασία Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Στρώματα διάχυσης αερίων
ηλεκτρόλυση τύπου ΡΕΜ
μεμβράνη
GDL
PEM electrolysis
membrane

description: Τα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί ότι οι ανθρώπινες δραστηριότητες απαιτούν όλο και μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας. Το πρόβλημα εντείνεται λόγω του υπερπληθυσμού του πλανήτη και της ελάττωσης των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων, που έχει ως αποτέλεσμα την στροφή της έρευνας στην αξιοποίηση εναλλακτικών ενεργειακών πόρων και την αποτελεσματική αποθήκευση της ενέργειας. Στις μέρες μας, το υδρογόνο θεωρείται η πιο πολλά υποσχόμενη επιλογή ως καθαρό, απαλλαγμένο από άνθρακα και αποδοτικό φορέα ενέργειας. Ένα επιπλέον ελκυστικό χαρακτηριστικό του υδρογόνου είναι ότι απαντάται στη φύση ως συστατικό πολλών ενώσεων και μπορεί να ανακτηθεί με διάφορες χημικές μεθόδους. Μια από αυτές τις μεθόδους, η ηλεκτρόλυση του νερού, δηλαδή η απευθείας ηλεκτροχημική διάσπαση του νερού για την παραγωγή υπερκαθαρού υδρογόνου και οξυγόνου, είναι μια αξιόπιστη τεχνολογία που χρησιμοποιείται στην χημική βιομηχανία και είναι φιλική προς το περιβάλλον, καθώς μπορεί να συνδυαστεί με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (αιολική και ηλιακή). Πιο συγκεκριμένα, η ηλεκτρόλυση νερού τύπου PEM είναι ευρέως αναγνωρισμένη ως μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία διάσπασης του νερού. Βασικά πλεονεκτήματα της είναι η υψηλή ενεργειακή απόδοση και καθαρότητα του παραγόμενου υδρογόνου και η ασφάλεια λειτουργίας της διάταξης. Όμως, η τεχνολογία αυτή έχει και κάποιες προκλήσεις, όπως το υψηλό κόστος των ηλεκτροκαταλυτών και ηλεκτρολυτών των διατάξεων, καθώς και οι υψηλές ανοδικές υπερτάσεις που εμφανίζονται κατά την αντίδραση έκλυση οξυγόνου. Η παραγωγή H2 μέσω διατάξεων ηλεκτρόλυσης τύπου πολυμερικής μεμβράνης (PEM) για τη διάσπαση του νερού μελετάται στην παρούσα εργασία, ενώ βελτιώνονται, επίσης, οι πειραματικές συνθήκες με σκοπό τη μεγιστοποίηση της απόδοσης του συστήματος. Ως ηλεκτρόδιο ανόδου χρησιμοποιήθηκε ο εμπορικά διαθέσιμος ηλεκτροκαταλύτης IrO2, ο οποίος εξασφαλίζει σημαντική σταθερότητα και υψηλή απόδοση. Η εναπόθεση του ηλεκτροκαταλύτη πάνω στη μεμβράνη έγινε με την τεχνική του ψεκασμού (spraying). Ως ηλεκτρόδιο καθόδου χρησιμοποιήθηκε το εμπορικά διαθέσιμο ηλεκτρόδιο Pt/C. Στην παρούσα μελέτη, ερευνάται η αντικατάσταση του carbon paper, που είναι το σύνηθες στρώμα διάχυσης αερίων (Gas diffusion Layer, GDL) ανόδου σε μια διάταξη ηλεκτρόλυσης τύπου PEM, με δομές τιτανίου καθώς και τιτάνιο με προστατευτική επίστρωση λευκοχρύσου (Pt). Ο στόχος αυτής της αντικατάστασης είναι η επίλυση των προβλημάτων που εισάγει ο άνθρακας και η υψηλή ανοδική υπέρταση και αφορούν την οξείδωση και την σταδιακή διάβρωση του κελιού. Μια άλλη παράμετρος που ερευνάται είναι η επίδραση του πάχους της μεμβράνης στην οποία εναποτίθεται ο καταλύτης. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν τρία είδη μεμβρανών: Nafion 115 (με πάχος 0.127mm), Nafion 212 (με πάχος 0.050mm) και μια ενισχυμένη με τεφλόν μεμβράνη Nafion reinforced 438 (με πάχος 0.380mm). Τα αποτελέσματα ήταν πολύ ενθαρρυντικά, καθώς αποδείχθηκε ότι η χρήση πλέγματος Ti εμπλουτισμένου στην επιφάνειά του με μεταλλικό Pt, οδήγησε σε σημαντική αύξηση της απόδοσης σε συνδυασμό με χρήση της μεμβράνη Nafion 212. Η μελλοντική έρευνα του συνδυασμού των υλικών που χρησιμοποιούνται ως στρώματα διάχυσης μπορεί να αυξήσει περαιτέρω την απόδοση του συστήματος, γεγονός που αποκτά ερευνητικό και εμπορικό ενδιαφέρον
description: Nowadays it is known that the human activities require an increasing energy consumption, due to the overpopulation and the massive utilization of fossil fuels, which is calling for exploitation of alternative energy sources and efficient energy storage. Hydrogen is by far the most promising option as clean, carbon free and efficient energy carrier. Another appealing characteristic of hydrogen is that it is a part of many natural components and can be recovered by various chemical methods. Among the various technologies of energy storage, conversion of electrical energy into chemical energy through hydrogen generation by water electrolysis is considered highly promising for its high efficiency. Moreover, water electrolysis is environmentally friendly, as it can be combined with renewable energy sources (such as solar or wind power). In addition to this, PEM water electrolysis is now recognized as a promising water splitting technology, because it produces clean hydrogen from water and it is safe to be operated. The main drawbacks are the high cost of electrolytes and electrocatalysts and the high anodic overpotentials occurring during the oxygen evolution reaction (OER). The hydrogen production via PEM water electrolysis has been the focus of the present study, with the aim to understand the effect of key cell components, as the electrolyte and the diffusion layer, in the PEM electrolysis cell performance. Commercial iridium dioxide was used as anode electrode. The electrocatalyst was directly deposited onto the membrane by using a spraying coating technique (Catalyst Coated Membrane, CCM). The cathode electrode employed was the commercial Pt/C electrode. As mentioned, this study is dealing with two parameters: the first is the replacement of carbon paper, the usual anode gas diffusion layer (GDL) in a PEM water electrolyser, with Ti structures, either as is or treated with an ultrathin Pt coating. The aim of this replacement is to solve the problems that carbon and high anodic overpotential induce and involve the oxidation of such structures and the subsequent gradual corrosion of the cell. The second parameter is the effect of the thickness of the electrolyte membrane. Three types of membrane were used in this study: Nafion 115 (thickness 0.127mm), Nafion 212 (thickness 0.050mm) and a Teflon fabric reinforced Nafion N438 (thickness 0.380mm). Enhanced performance of the PEM electrolyser was obtained with the use of Ti with Pt protective coating as GDL and Nafion 212 membrane, a result which is very promising. Future research over the combination of materials used as GDL can further increase cell performance and stability, issues that present high interest in terms of research and commercial exploitation of the PEM electrolysis technology
description: Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο ΕΚΕΤΑ Εθνικό Κέντρο Ερευνας και τεχνολογίας