Ανάπτυξη ηλεκτροδίων οξυγόνου για διατάξεις ηλεκτρόλυσης τύπου πολυμερικής μεμβράνης

Abstract

The interest of the hydrogen, as an energy carrier, has increased particularly in recent last years due to the worldwide increase in air pollution. Hydrogen is a clean and flexible energy carrier that can be used to produce energy and heat to any end-use sector, including means of transport as the most important and hydrogen feedstocks. Hydrogen technologies in combination with renewable energy can thus be an integrated zero emission technology to meet most energy needs. Hydrogen can be produced through various technologies using fossil fuels (steam reforming, self-reforming, partial oxidation), biomass (using thermochemical and biological processes), renewable energy sources (via electrolysis of water). Today, only 4% of hydrogen is produced by electrolysis. Other lower cost methods, such as steam reforming, are preferred for its production. However, in the future, Renewable Energy Systems (RES) will take a significant part of electricity generation. In this context, energy storage in the future is expected to play a leading role as a part of "smart network". Electrolysis is considered to be the cleanest way of producing hydrogen from RES and has the ability to store (along with other storage technologies). An interesting developed application of electrolysis devices is known as "power to gas". Produced hydrogen by electrolysis devices, combined with RES, is introduced into the natural gas network available and widespread in the world. Stored hydrogen in the form of gas can be used for heat, transport or even convert to electricity. Refueling stations with on-site hydrogen production are another application of electrolyzers. However, some other technologies could be more cost-effective than electrolysis. The latter can become economically competitive if the excess energy of RES is used for their operation. Thus, in addition to the significant environmental benefit they offer, they will also become economically viable. Literature survey and industry in the energy section show that some issues (such as capital cost, lifetime and energy improvement) must be resolved before electrolysis becomes a competitive alternative. Electrolysis devices used for energy storage in couple with RES need to operate dynamically with several start-stop cycles. Among the electrolysis technologies, Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers (PEMWE) are mainly advantageous due to the high yield and purity of the hydrogen production, the direct storage, the high pressure operation and the safe operation of the device. However, there are also some technological challenges that concern both the high cost of the components used for these devices (electrocatalysts, electrolytes) and the relative high anode overpotential during the Oxygen Evolution Reaction (OER). Typically, as anode electrodes, noble metal electrocatalysts (for example, Ir, Ru, Pt) and their oxides are used. Their oxides are most active. Therefore, it is of great and continuous research interest. to look for new anode electrocatalysts as well as to optimize noble metal electrodes which have already used to increase the lifetime, reduce the metal loading and therefore the cost of the electrolysis cell. For this purpose, the overall objective of my thesis was the study of the effect of the parameters (effect of the calcination temperature of electrocatalysts, % Ir content in the development of bimetallic electrocatalysts,% wt ionomer in the catalytic ink, electrolyte thickness and technique of deposition the catalytic ink) to the optimal performance of the PEM electrolytic cell.

To ενδιαφέρον για το υδρογόνο, ως ενεργειακού φορέα, έχει αυξηθεί ιδιαιτέρως τα τελευταία χρόνια εξαιτίας της αύξησης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης παγκοσμίως. To υδρογόνο είναι ένας καθαρός και ευέλικτος ενεργειακός φορέας, ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ενέργειας και θερμότητας βρίσκοντας εφαρμογή σε οποιονδήποτε τομέα τελικής χρήσης, μεταξύ των οποίων σημαντικό αποτελούν τα μέσα μεταφοράς καθώς και οι σταθμοί τροφοδοσίας υδρογόνου. Οι τεχνολογίες υδρογόνου σε συνδυασμό με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μπορούν έτσι να αποτελέσουν μια ολοκληρωμένη τεχνολογία μηδενικής εκπομπής για την κάλυψη των περισσοτέρων ενεργειακών αναγκών. Το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί μέσω διαφόρων τεχνολογιών κάνοντας χρήση ορυκτών καυσίμων (αναμόρφωση φυσικού αερίου με ατμό, αυτόθερμη αναμόρφωση, μερική οξείδωση), βιομάζας (με τη χρήση θερμοχημικών και βιολογικών διεργασιών), ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (μέσω ηλεκτρόλυσης του νερού). Σήμερα, μόνο ένα 4% του υδρογόνου παράγεται από ηλεκτρόλυση. H ηλεκτρόλυση θεωρείται ως ο πιο καθαρός τρόπος παραγωγής υδρογόνου από ΑΠΕ και έχει τη δυνατότητα αποθήκευσης (μαζί με άλλες τεχνολογίες αποθήκευσης) σε αυτόν τον τομέα. Mία ενδιαφέρουσα αναπτυσσόμενη εφαρμογή των διατάξεων ηλεκτρόλυσης είναι η γνωστή ως “power to gas”. To υδρογόνο που παράγεται από διατάξεις ηλεκτρόλυσης, σε συνδυασμό και με τις ΑΠΕ, εισάγεται στο δίκτυο φυσικού αερίου, που είναι διαθέσιμο και ευρέως διαδεδομένο παγκοσμίως. To αποθηκευμένο υδρογόνο υπό μορφή αερίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση, μεταφορά ή και να μετατραπεί ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια. Oι σταθμοί ανεφοδιασμού με επι τόπου παραγωγή υδρογόνου είναι μια άλλη εφαρμογή των διατάξεων ηλεκτρόλυσης. Μεταξύ των διατάξεων ηλεκτρόλυσης, η ηλεκτρόλυση σε διάταξη τύπου πολυμερικής μεμβράνης, (Proton Exchange Membrane, PEM), πλεονεκτεί κυρίως λόγω της υψηλής απόδοσης και καθαρότητας του παραγόμενου υδρογόνου, της δυνατότητας απευθείας αποθήκευσης, λειτουργίας σε υψηλή πίεση καθώς και της ασφαλούς λειτουργίας της διάταξης. Ωστόσο, υπάρχουν και κάποιες τεχνολογικές προκλήσεις που αφορούν τόσο το υψηλό κόστος των συστατικών που χρησιμοποιούνται για τις διατάξεις αυτές (ηλεκτροκαταλύτες, ηλεκτρολύτες) όσο και τις υψηλές ανοδικές υπερτάσεις που εμφανίζονται κατά την Αντίδραση Έκλυσης Οξυγόνου (Oxygen Evolution Reaction, OER). Συνήθως, ως ηλεκτρόδια ανόδου, χρησιμοποιούνται ηλεκτροκαταλύτες ευγενών μετάλλων (πχ. Ιr, Ru, Pt) και οξείδια αυτών, ενώ πιο ενεργοί είναι τα οξείδια αυτών. Επομένως, κρίνεται επιτακτική η ανάγκη τόσο για αναζήτηση νέων ανοδικών ηλεκτροκαταλυτών όσο και για τη βελτιστοποίηση των ηλεκτροδίων ευγενών μετάλλων που ήδη χρησιμοποιούνται με σκοπό την αύξηση της διάρκειας ζωής, τη μείωση της φόρτισης, άρα και του κόστους της διάταξης ηλεκτρόλυσης. Για το σκοπό αυτό, αντικείμενο της διδακτορικής μου διατριβής αποτέλεσε η μελέτη της επίδρασης των παραμέτρων (θερμοκρασία πύρωσης ηλεκτροκαταλύτη, % περιεκτικότητα Ιr κατά την ανάπτυξη διμεταλλικών ηλεκτροκαταλυτών, % κ.β. ιονομερές στο καταλυτικό διάλυμα, πάχος ηλεκτρολύτη και τεχνική εναπόθεσης του καταλυτικού διαλύματος) στη βέλτιστη απόδοση μιας ηλεκτρολυτικής διάταξης PEM.