Χρήση στερεών ιοντικών αγωγών σε καταλυτικές αντιδράσεις και εφαρμογή ηλεκτροχημικών μεθόδων και τεχνικών στη διερεύνηση του μηχανισμού τους

Οι κυψέλες καυσίμου στερεού άνθρακα (DCFC) είναι ηλεκτροχημικές συσκευές που μπορούν να μετατρέψουν απευθείας τη χημική ενέργεια στερεών ανθρακούχων καυσίμων (π.χ. λιγνίτη, ξυλάνθρακα) σε ηλεκτρική. Υπάρχουν πολύ τύποι DCFC, με διαφορετικούς μηχανισμούς οξείδωσης, οι οποίοι καλύπτουν ένα αρκετά μεγάλο εύρος θερμοκρασιών λειτουργίας και μπορούν να αξιοποιήσουν μια ευρεία γκάμα στερεών καυσίμων. Στην παρούσα διατριβή, ερευνώνται διάφορες στρατηγικές για την αύξηση της ηλεκτρικής παραγωγής σε DCFC βασισμένες σε στερεούς ηλεκτρολύτες, στο θερμοκρασιακό εύρος 700 - 800 oC. Αυτές περιλαμβάνουν, την προσθήκη καταλύτη αεριοποίησης στο καύσιμο, τη χρήση διοξειδίου του άνθρακα και υδρατμού ως φορείς αεριοποίησης και την προσθήκη ευτηκτικού μείγματος ανθρακικών αλάτων στο μείγμα καυσίμου. Το κοινό σημείο όλων αυτών των στρατηγικών είναι η αύξηση της επί τόπου (in situ) αεριοποίησης του στερεού καυσίμου, τα προϊόντα της οποίας μπορούν εύκολα να οξειδωθούν στην άνοδο της κυψέλης, αυξάνοντας την παραγόμενη ισχύ. Τα πρώτα πειράματα διεξάχθηκαν χρησιμοποιώντας καθαρό άνθρακα (carbon black) ως καύσιμο. Αφού βελτιστοποιήθηκαν οι ποσότητες του καυσίμου και των πρόσθετων για τη συγκεκριμένη γεωμετρία κυψέλης, διερευνήθηκε η επίδραση των φορέων αεριοποίησης και της φύσης του καταλύτη. Τα αποτελέσματα που λήφθηκαν ήταν ενθαρρυντικά (πυκνότητες ισχύος έως και 20,6 mW∙cm-2 παρουσία ανθρακικών αλάτων και καταλύτη Co/CeO2 με φορέα αεριοποίησης διοξείδιο του άνθρακα) οπότε οι στρατηγικές αυτές εφαρμόστηκαν και σε εμπορικούς άνθρακες. Εξετάστηκαν τρεις ορυκτοί άνθρακες (ανθρακίτης, πισσούχος και λιγνίτης) και ένας ξυλάνθρακας (πεύκου). Βρέθηκε ότι διάφορα χημικά (περιεκτικότητα σε πτητικά, τέφρα και θείο) και φυσικά (πορώδες, κρυσταλλικότητα) χαρακτηριστικά του καυσίμου παίζουν σημαντικό ρόλο στη δραστικότητα του άνθρακα υπό ροή CO2 και, κατ’ επέκταση, στη συμπεριφορά της κυψέλης. Επίσης, βρέθηκε ότι η απομάκρυνση της τέφρας από τον πισσούχο άνθρακα είχε θετική επίδραση, τόσο στον ρυθμό αεριοποίησης του καυσίμου, όσο και στην παραγόμενη πυκνότητα ισχύος. Τέλος, η χρήση λεπτότερης μεμβράνης-ηλεκτρολύτη (0,3 mm), σε συνδυασμό με κάθοδο ειδική για την αναγωγή του οξυγόνου (LSM) και πιο προηγμένες μεθόδους εναπόθεσης ηλεκτροδίων, οδήγησε σε αύξηση όχι μόνο της παραγόμενης ισχύος (52 mW∙cm-2), αλλά και της επίδρασης των παραπάνω στρατηγικών. Παρόλα αυτά, η αξιοποίηση (ηλεκτρο-οξείδωση) των προϊόντων της αεριοποίησης (κυρίως μονοξείδιο του άνθρακα) ήταν αρκετά χαμηλή, ακόμη και μετά τις βελτιώσεις στην κατασκευή της κυψέλης. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος προτείνεται η περεταίρω εξέλιξη των υλικών, η λειτουργία σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και η μελέτη κυψέλης διαφορετικής γεωμετρίας.