Ανάπτυξη νέων πολυμερικών ηλεκτρολυτών και μελέτη του μηχανισμού αγωγής πρωτονίων σε κελιά καυσίμου υψηλών θερμοκρασιών

Abstract

Polymer electrolyte fuel cells are an efficient and environmentally friendly technology of power generation, while they are considered the most promising candidate for vehicular transportation. Operation at elevated temperatures (above 100°C) has many advantages. Research is underway to find the appropriate polymeric electrolyte, which combines certain prerequisites. Our approach is based on the synthesis of copolymers with aromatic polyether structure, which bear polar units (pyridines or imidazo-pyridines) on the main chain. The materials were characterized with conventional methods. The majority of the studied materials showed excellent mechanical properties, thermal and oxidative stability and high ionic conductivities. In other words, from this work, polymers that fulfil all the prerequisites for high temperature operation were obtained. After optimization, some materials were chosen and were applied in single fuel cells. The fuel cell performance was therefore studied. Also, the effect of different parameters such as temperature and water steam, on cell performance was investigated. Last, conclusions were extracted concerning the proton conduction mechanism.

Τα κελιά καυσίμου είναι μια τεχνολογία παραγωγής ενέργειας, πιο αποδοτική και φιλική προς το περιβάλλον, ενώ αποτελούν τον βασικό υποψήφιο για χρήση σε μέσα μεταφοράς. Λειτουργία σε θερμοκρασίες πάνω από 100°C έχει διάφορα πλεονεκτήματα. Η έρευνα βρίσκεται σε εξέλιξη για την εύρεση του κατάλληλου πολυμερικού υλικού για ηλεκτρολύτη, το οποίο να συνδυάζει διάφορες ιδιότητες. Η δική μας προσέγγιση βασίζεται στη σύνθεση συμπολυμερών με δομή αρωματικών πολυαιθέρων τα οποία φέρουν πολικές ομάδες (πυριδίνες ή ημιδαζο-πυριδίνες) στην κύρια αλυσίδα. Τα υλικά χαρακτηρίστηκαν με συμβατές τεχνικές. Προέκυψαν πολυμερή με εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, θερμική και οξειδωτική σταθερότητα, και υψηλή ιοντικής αγωγιμότητα. Με άλλα λόγια προέκυψαν υλικά που πληρούν όλες τις προϋποθέσεις για λειτουργία ως ηλεκτρολύτες υψηλών θερμοκρασιών. Στην συνέχεια έγινε επιλογή ορισμένων ηλεκτρολυτών και εφαρμογή τους σε μοναδιαίο κελί καυσίμου. Μελετήθηκε η απόδοση του κελιού αλλά και η επίδραση παραγόντων όπως η θερμοκρασία και οι υδρατμοί σε αυτή. Τέλος, έγινε εξαγωγή συμπερασμάτων για το μηχανισμό αγωγής πρωτονίων.