Ηλεκτρόλυση ατμού με χρήση κεραμικών πρωτονιακών αγωγών
Creators: name: Μπαντή, Αγγελική Χαρίλαου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: ηλεκτρόλυση νερού
πρωτονιακοί αγωγοί
υδρογόνο
water electrolysis
proton conductors
hydrogen

description: Tις τελευταίες δεκαετίες γίνεται προσπάθεια μείωσης του περιβαλλοντικού προβλήματος που οφείλεται στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, με την ανάπτυξη και εισαγωγή των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στον ενεργειακό τομέα. Μία από τις πιο πρόσφατες τεχνολογίες που αναπτύχθηκαν λίγες δεκαετίες νωρίτερα αλλά σήμερα μελετάται η ευρεία εφαρμογή της στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, είναι οι κυψέλες καυσίμου που βασίζουν τη λειτουργία τους στη χρήση υδρογόνου το οποίο παράγεται από Α.Π.Ε. και αποθηκεύεται σε ειδικές δεξαμενές. Το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί από τη διάσπαση του νερού μέσω διαφόρων διεργασιών που εκτείνονται από την ηλεκτρόλυση του νερού, φωτο(ηλιακή)-ηλεκτρόλυση, φωτο-βιολογική παραγωγή εώς τη διάσπαση του νερού σε υψηλή θερμοκρασία. Μια ελπιδοφόρος και ώριμη μέθοδος για την παραγωγή υδρογόνου είναι η ηλεκτρόλυση του νερού, μια ηλεκτροχημική διεργασία, η οποία περιλαμβάνει τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας για το διαχωρισμό του νερού στα συστατικά του, δηλαδή σε υδρογόνο και οξυγόνο. Αυτή η διεργασία είναι ήδη οικονομικά αποδοτική για την παραγωγή υπερ-καθαρού υδρογόνου σε μικρές ποσότητες, εντούτοις, εξακολουθεί να παραμένει ακριβή για εφαρμογές μεγαλύτερης κλίμακας. Η υψηλής θερμοκρασίας ηλεκτρόλυση του ατμού βασίζεται στην αντίστροφη λειτουργία μιας κυψέλης καυσίμου υψηλής θερμοκρασίας (Herring et al, 2007). H ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται για να διαχωριστεί το νερό στους 1000 °C είναι αρκετά χαμηλότερη από την ηλεκτρόλυση στους 100 °C. Αυτό σημαίνει ότι μια υψηλής θερμοκρασίας συσκευή ηλεκτρόλυσης μπορεί να λειτουργήσει σε σημαντικά υψηλότερες αποδόσεις από μια διάταξη ηλεκτρόλυσης που λειτουργεί σε χαμηλές θερμοκρασίες. Μια χαρακτηριστική τεχνολογία αυτής της κατηγορίας είναι η κυψέλη ηλεκτρόλυσης στερεού ηλεκτρολύτη (SOEC). Εξαιτίας της υψηλής θερμοκρασίας απαιτούνται σταθερά υλικά τόσο στην άνοδο και κάθοδο όσο και ηλεκτρολύτη προκειμένου να ελαχιστοποιούνται προβλήματα που προκύπτουν από τις συνθήκες λειτουργίας (υψηλές θερμοκρασίες, οξειδωτικό-διαβρωτικό περιβάλλον). Για το λόγο αυτό, υιοθετώντας μια ώριμη τεχνολογία όπως την SOEC με χρήση YSZ ηλεκτρολύτη, μελετήθηκε μια σχετικά καινούργια για την επιστημονική κοινότητα που εστιάζει σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και χρησιμοποιεί ως ηλεκτρολύτη κεραμικούς πρωτονιακούς αγωγούς. Βασικό κίνητρο για τη μελέτη αποτέλεσε το γεγονός ότι τα υλικά αυτά, τα οποία εμφανίζουν μικτή αγωγιμότητα, θα μπορούσαν να αποτελέσουν υψηλότερη απόδοση, σταθερότητα και ανθεκτικότητα στην ηλεκτρόλυση του ατμού σε ένα θερμοκρασιακό εύρος 600-800 °C. Στο κεφάλαιο 1 της εργασίας γίνεται μια εισαγωγή στη σημασία του υδρογόνου. Το υδρογόνο δεν αποτελεί μόνο ένα καύσιμο, είναι ένα καύσιμο το οποίο δύναται να αλλάζει άμεσα τη σημερινή δομή της οικονομίας η οποία βασίζεται στα ορυκτά καύσιμα. Στο κεφάλαιο αυτό, γίνεται μια αναφορά στις μεθόδους παραγωγής του, εστιάζοντας στην ηλεκτρόλυση του νερού, η οποία γίνεται με χρήση διατάξεων που χρησιμοποιούν ως ηλεκτρολύτη έναν κεραμικό πρωτονιακό αγωγό. Αρχικά, γίνεται μια θεωρητική ανασκόπηση στη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης του νερού και στις διατάξεις ηλεκτρόλυσης με χρήση κεραμικών πρωτονιακών αγωγών. Το κεφάλαιο 2 αποτελεί επίσης εισαγωγικό κεφάλαιο και αναφέρεται εκτενώς στους πρωτονιακούς αγωγούς την αρχή λειτουργίας και την κατηγοριοποίηση αυτών, τις απαιτήσεις για βελτιστοποίηση της αγωγιμότητας. Επίσης, γίνεται μια ανασκόπηση στις προϋποθέσεις που πρέπει να πληρούν τόσο τα ηλεκτρόδια οξυγόνου όσο και υδρογόνου προκειμένου να υπάρχει η βέλτιστη απόδοση λειτουργίας της διάταξης. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται λεπτομερώς η διαδικασία ανάπτυξης των ηλεκτροδίων ανόδου και καθόδου μέσω της τεχνικής εναπόθεσης με τελάρο (screen printing). Eπίσης, περιγράφεται ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός μέσω της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης των ηλεκτροδίων που αναπτύχθηκαν μετά τη λειτουργία του σε συνθήκες ηλεκτρόλυσης (Proton Conducting Electrolyte Cells, PCECs). Tέλος, ακολουθεί μια περιγραφή της πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιείται για τη μελέτη των μοναδιαίων κυψελών που αναπτύχθηκαν. Το κεφάλαιο 4 που αποτελεί και το πειραματικό μέρος της παρούσας εργασίας παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τη λειτουργιά των μοναδιαίων διατάξεων τόσο κατά τη λειτουργία της κυψέλης καυσίμου όσο και κατά τη λειτουργία της ηλεκτρόλυσης. Ενώ, στο κεφάλαιο 5 συνοψίζονται τα γενικά συμπεράσματα που προέκυψαν από τη μελέτη αυτή και προτείνονται μελλοντικά βήματα προς βελτίωση της απόδοσης των διατάξεων αυτών με χρήση κεραμικών πρωτονιακών αγωγών
description: During last decades important efforts have been made to reduce the environmental problem caused by electricity generation, with the development and introduction of Renewable Energy Sources (RES) in the energy sector. One of the latest technologies that were developed a few decades earlier, and today their wide application is being studied in the production of electricity, are the fuel cells whose operation is based on hydrogen use that is generated by RES and is stored in special tanks. Hydrogen can be produced by water breakdown through various processes extending from water electrolysis, photo (solar) -electrolysis, photo-biological production up to the decomposition of water at high temperature. A promising and mature method for producing hydrogen is water electrolysis, an electrochemical process, which includes the use of electricity to separate the water into its components, i.e. hydrogen and oxygen. This process is already cost-effective to produce super-pure hydrogen in small quantities, however, it remains expensive for larger scale applications. High temperature steam electrolysis is based on the reverse operation of a high temperature fuel cell (Herring et al, 2007). The electric power required to separate water at 1000 °C is much below than the power of electrolysis at 100 °C. This means that a high temperature electrolysis device can operate at significantly higher efficiencies than an electrolysis device operating at low temperatures. A typical technology of this category is the solid oxide electrolysis cell (SOEC). Due to the high temperature, stable materials are required both on the anode and the cathode as well as the electrolyte, in order to minimize problems resulting from the operating conditions (such as high temperatures, oxidative-corrosive environment). For this reason, adopting a mature technology, such as SOEC using YSZ electrolyte, a relatively new one for the scientific community was studied through this thesis, focusing on lower temperatures and using ceramic proton conductors as electrolyte. The main motivation for the study was the fact that these materials, which exhibit mixed conductivity, could provide higher yield, stability and resistance to steam electrolysis in a temperature range of 600-800 °C. In Chapter 1 of the thesis an introduction regarding the importance of hydrogen is made. Hydrogen is not just a common fuel; it is a fuel that can directly change the current structure of the fossil fuel economy. In this chapter, its production methods are discussed, focusing on electrolysis of water, where devices use as electrolyte, a ceramic proton conductive one. Moreover, a theoretical review is made regarding the electrolysis process and the electrolysis devices using ceramic proton conductors. Chapter 2 is also an introductory chapter and refers extensively to the proton conductors, the operating principle and their categorization and the requirements for conduction optimization. Also, a review is made regarding the conditions that both oxygen and hydrogen electrodes need to fulfill in order to ensure the optimum performance of the device. Chapter 3 presents, in detail, the process of developing anode and cathode electrodes by means of screen printing. It also describes the physicochemical characterization by electrode scanning of Proton Conducting Electrolyte Cells (PCECs). Finally, a description of the experimental device used to study the unit cells developed follows. Following, Chapter 4, presents the results of the operation of the unit devices both during fuel cell operation and electrolysis operation. Chapter 5 summarizes the overall findings of this study and proposes future steps to improve the performance of these devices using ceramic proton conductors