Ανάπτυξη ηλεκτροδίων οξυγόνου για διατάξεις ηλεκτρόλυσης τύπου πολυμερικής μεμβράνης

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.