Υποέργο 13 Βελτιστοποίηση Διεργασιών Παρασκευής Συστατικών Υλικών Κυψελών Καυσίμου Στερεού Ηλεκτρολύτη για την Ηλεκτροχημική Οξείδωση Υδρογονανθράκων

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Υποέργο 13 Βελτιστοποίηση Διεργασιών Παρασκευής Συστατικών Υλικών Κυψελών Καυσίμου Στερεού Ηλεκτρολύτη για την Ηλεκτροχημική Οξείδωση Υδρογονανθράκων"

Νέφθυς Μπότσαρης
6 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Κοζάνη 30/11/2015 Υποέργο 13 Βελτιστοποίηση Διεργασιών Παρασκευής Συστατικών Υλικών Κυψελών Καυσίμου Στερεού Ηλεκτρολύτη για την Ηλεκτροχημική Οξείδωση Υδρογονανθράκων Ν.Ε. Κυρατζής Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος και Μηχανικών Αντιρρύπανσης Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Δυτικής Μακεδονίας Western Macedonia University of Applied Sciences Κοίλα Κοζάνης Kozani GR 50100

αντίδρασης Triple Phase Boundary (TPB) e - + Κάθοδος LSM Αέρας 1/2O 2 (g) + 2e - O 2-1/2(3n+1)O 2 (g) + (6n+2)e -

2 Ενδοσυνδετικό υλικό (Interconnector) Βασική Αρχή Λειτουργίας SOFCs C n H 2n+2 + (3n+1)O 2- nco 2 + (n+1)h 2 O + (6n+2)e - H 2 (g) + O 2- H 2 O (g) + 2e Καύσιμο E (V) e - - Άνόδος Ni YSZ Ηλεκτρολύτης YSZ O 2- O 2- Περιοχή ηλεκτροχημικής αντίδρασης Triple Phase Boundary (TPB) e - + Κάθοδος LSM Αέρας 1/2O 2 (g) + 2e - O 2-1/2(3n+1)O 2 (g) + (6n+2)e - (3n+1)O 2- LSM: Sr-doped LaMnO 3 YSZ: (8-10 mol% Y 2 O 3 ) ZrO 2

3 Είδη κυψελών καυσίμου σε σχέση με την επεξεργασία καυσίμου *B. C. H. Steele & A. Heinzel, NATURE VOL NOVEMBER 2001

PNNL-developed microchannel technology external steam reforming

4 Ενεργειακή πυκνότητα σε σχέση με την ειδική ενεργειακή απόδοση για διάφορους φορητούς τύπους μπαταριών και κυψελών καυσίμου PNNL-developed microchannel technology external steam reforming fuel recycling Evans, A., et al., Journal of Power Sources, (2009)

Έρευνα και ανάπτυξη στiς κυψέλες καυσίμου και ενεργειακές ανάγκες στις χαμηλές τιμές ισχύος https://fuelcellsworks.

5 Έρευνα και ανάπτυξη στiς κυψέλες καυσίμου και ενεργειακές ανάγκες στις χαμηλές τιμές ισχύος

6 Χαρακτηριστικά και πλεονεκτήματα SOFCs Υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας C (CHP cycles) Υψηλή θερμοδυναμική απόδοση Ευρύ φάσμα καυσίμων (βιοκαύσιμα) Δυνατότητα εσωτερικής αναμόρφωσης υδρογονανθράκων Συμπαραγωγή ενέργειας και χημικών προϊόντων με χρήση κατάλληλων ηλεκτροκαταλυτών Χαμηλή εκπομπή ρύπων(nox) <0.5 PPM Χαμηλά επίπεδα θορύβου Ιδανικά για δέσμευση του άνθρακα λόγω μη ανάμειξης οξειδωτικού και καυσίμου

7 ερευνητικές προκλήσεις Μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας C Σταθεροποίηση της απόδοσης λειτουργίας μακροπρόθεσμα Χρήση περισσότερων υλικών με χαμηλότερες απαιτήσεις (συμβατικά υλικά) μείωση της απαιτούμενης θερμοκρασίας παρασκευής των συστατικών κεραμικών υλικών Μείωση κόστους και ταχύτερη εκκίνηση λειτουργίας Λειτουργία με συμβατικούς υδρογονάνθρακες (LPG), βιοκαύσιμα Χρησιμοποίηση υπάρχοντος υποδομής Εξάλειψη εξωτερικής αναμόρφωσης Απευθείας οξείδωση υδρογονανθράκων χωρίς εσωτερική αναμόρφωση Ιδανικές σαν πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο ενδιάμεσο στάδιο εξάντλησης των υδρογονανθράκων καύση υδρογόνου παραγωγή υπερ-καθαρού υδρογόνου σε σύνδεση με ανανεώσιμες πηγής ηλεκτρικής ενέργειας ανάπτυξη νέων τύπων συσκευών (π.χ. αντιστρεπτά κελιά καυσίμου) στερεών ηλεκτρολυτών από σύνθετα υλικά ικανά να άγουν διάφορους τύπους ιόντων όπως Ο 2, και Η +

Τρόποι μείωσης θερμοκρασίας λειτουργίας & παρασκευής SOFCs Η εφαρμογή μικρού πάχους ηλεκτρολυτών και ηλεκτροδίων (<10μm) Εφαρμογή μεθόδου παρασκευής συστατικών κυψελών καυσίμου βασισμένη σε αρχικά

8 Τρόποι μείωσης θερμοκρασίας λειτουργίας & παρασκευής SOFCs Η εφαρμογή μικρού πάχους ηλεκτρολυτών και ηλεκτροδίων (<10μm) Εφαρμογή μεθόδου παρασκευής συστατικών κυψελών καυσίμου βασισμένη σε αρχικά συστατικά μοριακού επιπέδου π.χ. χρήση πρόδρομου διαλύματος όπως η πυρόλυση ψεκασμού Βελτιστοποίηση συμβατικών μεθόδων υγρού αιωρήματος (π.χ. tape casting) Η χρήση ηλεκτρολύτη με υψηλότερη ιοντική αγωγιμότητα απο την YSZ για θερμοκρασίες λειτουργίας C. π.χ. Ce0.9Gd0.1O1.9-x, (CGO)

9 Πειραματική Διάταξη Πυρόλυσης Ψεκασμού

10 Φυσικοχημικές διεργασίες Αρχική Σταγόνα A B C D Εξάτμιση Καταβύθιση Ίζημα Διάλυμα Στερεό Ξήρανση Τήξη Ατμός Εξάχνωση 0 0 Σκόνη Διάσπαση Πυροσυσσωμάτωση Αύξηση Θερμοκρασίας Υπόστρωμα

11 Πλεονεκτήματα της πυρόλυσης ψεκασμού Χαμηλό κόστος Χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας Λειτουργία ανοικτής ατμόσφαιρας Έλεγχος στοιχειομετρίας σε επίπεδο σταγόνας Καλύτερος έλεγχος μεγέθους σωματιδίων Κατάλληλη για παρασκευή σύνθετων οξειδίων Δυνατότητα παρασκευής όλων των SOFC συστατικών in situ Εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα παραγωγής Επιτρέπει την ενσωμάτωση των διεργασιών των της καθίζησης, διάσπασης και πυροσυσσωμάτωσης σε μια μοναδική διεργασία

12 Πειραματικοί Παράμετροι Πυρόλυσης Ψεκασμού Θερμοκρασία υποστρώματος Συγκέντρωση πρόδρομου διαλύματος Τύπος διαλύτη Τύπος μεταλλικών αλάτων (νιτρικά, χλωρίδια, οργανικά) Απόσταση ακροφύσιου ψεκασμού - υποστρώματος Παροχή πρόδρομου διαλύματος Παροχή αέρα Χρόνος απόθεσης Τύπος υποστρώματος Πρόσθετα διαλύματος (PMMA, Decoflux wb-41, PVA)

13 Τύποι Ανοδικών υμενίων Αντικατάσταση του Ni με Cu λόγω σχηματισμού άνθρακα με αποτέλεσμα την απενεργοποίηση του κελιού. Ο Cu παρουσιάζει υψηλότερη ηλεκτρική αγωγιμότητα και είναι ουδέτερος καταλυτικά ως προς την εναπόθεση άνθρακα στην άνοδο Ο συνδυασμός Cu με κεραμικά (π.χ. CeO 2, La 0.75 Sr 0.25 Cr 0.5 Mn 0.5 O 3-δ ή Y 0.2 Ti 0.18 Zr 0.62 O 1.9 ) παρουσιάζει μικτή αγωγιμότητα επεκτείνοντας την περιοχή που πραγματοποιείται η ηλεκτροχημική αντίδραση (ΤPB)

Temperature [ C] Temperature [ C] Temperature[( C]

100 50 μm Cu-LSCM/YSZsp 50 μm Co-CeO 2 /ScSZ 50 μm 0

300 200 100 0 0 20 40 60 80 100 Time [min] Co-CeO 2

14 Temperature [ C] Temperature [ C] Temperature[( C] Ανοδικά υμένια Cu-CeO 2 /YSZ Cu-CeO 2 /YSZ μm Cu-LSCM/YSZsp 50 μm Co-CeO 2 /ScSZ 50 μm Time [min] Cu-LSCM-(YSZ) Time [min] Co-CeO 2 /(ScSZ) Time [min]

P[mW/cm 2 ] Ανοδικά υμένια-β Temperature [ O C] 400 300 200 100 Co-CeO 2 5 μm Co-CeO 2 /YSZ E[Volt] 1.2 I-800 O C 1.0 0.8 0.6 0.4 0.

15 P[mW/cm 2 ] Ανοδικά υμένια-β Temperature [ O C] Co-CeO 2 5 μm Co-CeO 2 /YSZ E[Volt] 1.2 I-800 O C P-800 O C I-750 O C P-750 O C I[mA/cm 2 ] 70 P[mW/cm 2 ] % H 2 /Ar 800 O C 20% H 2 /Ar 750 O C Time [min] Time [min]

Temperature [ C] Temperature [ C] Temperature [ C] Καθοδικά

025M-LSM 300 200 100 50 μm 0 0 20 40 60 80 100 Time [min]

1M 0 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.

16 Temperature [ C] Temperature [ C] Temperature [ C] Καθοδικά υμένια LSMsp/YSZ 0.025M M-LSM μm Time [min] LSMsp/LSM 0.05M M-LSM LSMsp/LSM 100 μm 0.1M Time [min] M-LSM 100 μm Time [min]

17 Ηλεκτρολυτικά υμένια

18 Συμπεράσματα Η τεχνική της πυρόλυσης ψεκασμού βελτιστοποιήθηκε για την παρασκευή συστατικών κυψελών στερεού ηλεκτρολύτη (SOFCs) Χρησιμοποιήθηκαν μόνο υδατικά διαλύματα Πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση της μεθόδου ως προς την θερμοκρασία υποστρώματος, παροχή διαλύματος, συγκέντρωση πρόδρομου διαλύματος και την απόσταση ακροφυσίου ψεκασμού υποστρώματος. Η μορφολογία του υποστρώματος επηρεάζει την μορφολογία του παραγόμενου υμενίου. Ο σχηματισμός της κρυσταλλικής φάσης πραγματοποιήθηκε σε χαμηλή θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης 700 C Αύξηση της συγκέντρωσης του διαλύματος απαιτεί και αύξηση της θερμοκρασίας υποστρώματος για την παραγωγή συναφούς υμενίου

19 Συμπεράσματα-2 Επιτεύχθηκε άριστη συγκόλληση υμενίων με το υπόστρωμα Ανοδικά ηλεκτρόδια τύπου Co-CeO 2 παρουσίασαν αρκετά καλή ηλεκτροχημική συμπεριφορά Οι παράμετροι με τη μεγαλύτερη επίδραση στην μορφολογία των παραγόμενων υμενίων ήταν η θερμοκρασία υποστρώματος και η συγκέντρωση του διαλύματος δεδομένων των υπόλοιπων Ο κυκλικός τύπος ψεκασμού για ηλεκτρολυτικά υμένια YSZ βρέθηκε να υποβοηθά την δημιουργία συμπαγών υμενίων Συμβατικά καθοδικά ηλεκτρόδια βελτιστοποιήθηκε η μέθοδος παρασκευής από αρχικά κονιάματα και με χρήση διαλύτη MEK-EtOH=3:2 Μοντελοποίηση Έγινε μοντελοποίηση στο Mathematica σχετικά με τα αρχικά στάδια της μεθόδου πυρόλυσης ψεκασμού.

20 Δημοσιεύσεις 1)6ο ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟΣΥΜΠΟΣΙΟΠΟΡΩΔΩΝΥΛΙΚΩΝ (9-10 Σεπτεμβρίου 2013) ΤΕΙΚαβάλας (6th Panhellenic Symposium on Porous Materials), FABRICATION OF ELECTRODES AND ELECTROLYTES FOR SOFCS VIA SPRAY PYROLYSIS AND CONVENTIONAL METHODS, N.E.Kiratzis, P. Tragias, L. Yiamouridis and E. Papastergiadis 2)13ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Κατάλυσης (16-18 Οκτωβρίου 2014) Παλαιός Άγιος Αθανάσιος Πέλλας. " Παρασκευή και χαρακτηρισμός συστατικών καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη (SOFC) με πυρόλυσης ψεκασμού και συμβατικές μεθόδους" Γ.Τσιμέκας, Ε. Παπαστεργιάδης και Ν.Ε. Κυρατζής. 3)1st International Conference on Chemistry, Chemical Engineering and Materials Science (CCEMS 2014) (28-30 Νοεμβρίου 2014) Athens-Greece" Fabrication and Characterization of SOFC components by Spray Pyrolysis method and Conventional methods" G. Tsimekas, E. Papastergiades and N.E. Kiratzis. 4)10ο ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΧΗΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ, ΠΑΤΡΑ, 4-6 ΙΟΥΝΙΟΥ, 2015, «ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΠΥΡΟΛΥΣΗΣ ΨΕΚΑΣΜΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΣΤΕΡΕΟΥ ΟΞΕΙΔΙΟΥ (SOFC)» Γ.Τσιμέκας, Α. Βατάλης, Ε. Παπαστεργιάδης, Ν. Κυρατζής 5)ECS Transactions, 68 (1) (2015), / ecst The Electrochemical Society «Electrochemical Performance of SOFC Components Fabricated by Spray Pyrolysis Method», G.Tsimekas, E. Papastergiades and N.E. Kiratzis 6)16th International Conference, Advanced Batteries, Accumulators and Fuel Cells [ABAF 16th], August 30th September 3th, 2015, Brno University of technology, Czech Republic «Insights into the Effect of Deposition Temperature on YSZ and CGO Thin Films Fabricated by Spray Pyrolysis» G.Tsimekas, E. Papastergiades, N.E. Kiratzis 7)κατατέθηκε υπό κρίση G.Tsimekas, E. Papastergiades, N.E. Kiratzis «Optimization of Spray Pyrolysis Method for Deposition of SOFC Electrodes» 8)κατατέθηκε υπό κρίση 8) Υπό κρίση «Applications of the technique of Solution Aerosol Thermolysis (SAT) in Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) component fabrication» G.Tsimekas, N.E. Kiratzis

21 Μελλοντική εργασία περαιτέρω διερεύνηση της μαθηματικής μοντελοποίησης της διεργασίας πυρόλυσης ψεκασμού με χρήση ίσως νέων λογισμικών (COMSOL) μοντελοποίηση και των σταδίων πυροσυσσωμάτωσης in situ παρασκευή όλων συστατικών κυψελών καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη με την τεχνική πυρόλυσης ψεκασμού ηλεκτροχημική εξέταση βελτιστοποίηση της τεχνικής με χρήση διαφορετικών τύπων ευδιάλυτων αλάτων περαιτέρω εμβάθυνση στην παρασκευή συμπαγών ηλεκτρολυτικών δομών με χρήση της ίδιας τεχνικής παρασκευή ηλεκτρολυτικών μεμβρανών πολλαπλής ιοντικής αγωγιμότητας

22 Συνεργάτες Ευθύμιος Παπαστεργιάδης (ΑΛΕΞΑΝΔΡΕΙΟ ΤΕΙ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ) Μιχάλης Στουκίδης (Τμήμα Χημικών Μηχανικών, ΑΠΘ) Raymond J. Gorte (Τμήμα Χημικής και Βιομοριακής Μηχανικής, University of Pennsylvania) John T.S. Irvine(Τμήμα Χημείας, University of St. Andrews) Χρήστος Αγραφιώτης (German Aerospace Center)

23 Συνεργάτες-ΟΕΣ Γεώργιος Τσιμέκας ((Τμήμα Χημείας, University of St. Andrews) Υ/Δ (Optimization of the Spray Pyrolysis Method for Deposition of SOFC Components) Νικόλαος Ρηγάκης (Έκτακτος Επιστημονικός συνεργάτης ΤΕΙΔΜ) Γεώργιος Μαρνέλλος (Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, ΠΔΜ) Αργύρης Βατάλης (ΤΕΙΔΜ) Paul Connor (Τμήμα Χημείας, University of St. Andrews) Δωροθέα Πετράκη (ΤΕΙΔΜ) Αντώνιος Τίγγος (ΕΤΠ, ΤΕΙΔΜ) Κυριάκος Παπατάτσιος (ΤΕΙΔΜ, ΜΠΣ Βιομηχανικής Πληροφορικής) Προπτυχιακοί φοιτητές Στεφανία Κωστέα Πάρης Τράγιας Άγγελος Κεραμιτζή Λάζαρος Γιαμουρίδης Αθανάσιος Βαξεβάνος

ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Κοζάνη 30/11/2015 H παρούσα έρευνα έχει συγχρηματοδοτηθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο - ΕΚΤ) και από εθνικούς πόρους μέσω του Επιχειρησιακού Προγράμματος

24 ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Κοζάνη 30/11/2015 H παρούσα έρευνα έχει συγχρηματοδοτηθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο - ΕΚΤ) και από εθνικούς πόρους μέσω του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» του Εθνικού Στρατηγικού Πλαισίου Αναφοράς (ΕΣΠΑ) Ερευνητικό Χρηματοδοτούμενο Έργο: ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ. Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων στο ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας» του Ε.Π. «Εκπαίδευση και δια Βίου Μάθηση» MIS Υποέργο 13: «Βελτιστοποίηση Διεργασιών Παρασκευής Συστατικών Υλικών Κυψελών Καυσίμου Στερεού Ηλεκτρολύτη για την Ηλεκτροχημική Οξείδωση Υδρογονανθράκων» Επένδυση στην κοινωνία της γνώσης μέσω του Ευρωπαϊκού Κοινωνικού Ταμείου. Οι συγγραφείς ευχαριστούν την ερευνητική ομάδα του καθηγητή Μ.Στουκίδη του Τμ. Χημικών Μηχανικών του ΑΠΘ και ιδιαίτερα τον Δρ. Β. Κυριακού για την γενική υποστήριξη και τις ηλεκτροχημικές μετρήσεις. Οι συγγραφείς ευχαριστούν επίσης την ερευνητική ομάδα του καθηγητή J.T.S. Irvine του πανεπιστημίου St. Andrews και ιδιαίτερα τους P. Connor και C. Savaniu για την επιστημονική τους υποστήριξη. Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Δυτικής Μακεδονίας Western Macedonia University of Applied Sciences Κοίλα Κοζάνης Kozani GR 50100

Σχετικά έγγραφα

Πειραματική Βελτιστοποίηση της Τεχνικής Πυρόλυσης Ψεκασμού για την Παρασκευή Συστατικών Στοιχείων Κυψελών Καυσίμου Στερεού Οξειδίου (SOFCs)

1 ο Πανελλήνιο Επιστημονικό Συνέδριο Χημικής Μηχανικής, 4 6 Ιουνίου, Πάτρα 215 Πειραματική Βελτιστοποίηση της Τεχνικής Πυρόλυσης Ψεκασμού για την Παρασκευή Συστατικών Στοιχείων Κυψελών Καυσίμου Στερεού