Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/242
Title: Νέοι ηλεκτροχημικά ενισχυόμενοι αντιδραστήρες και κελιά καυσίμου
Other Titles: New electrochemically promoted reactors and fuel cells
Authors: Μπαλωμένου, Στυλιανή
Issue Date: 2007-06-24T15:26:58Z
Keywords: Ηλεκτροχημική ενίσχυση
Keywords (translated): Electrochemical promotion
Abstract: Η μη-φαρανταïκή ενίσχυση ετερογενών καταλυτικών αντιδράσεων (φαινόμενο NEMCA) έχει μελετηθεί διεξοδικά για πληθώρα χημικών αντιδράσεων σε περισσότερα από 70 καταλυτικά συστήματα. Η μέχρι τώρα, σχεδόν αποκλειστική, χρήση υψηλού κόστους συνεχών καταλυτικών υμενίων πάχους 0.1-5μm με διασπορά <0.01%, σε αντιδραστήρες καθαρά εργαστηριακής κλίμακας αποτελεί ίσως τον σημαντικότερο λόγο που κάνει δύσκολη την εφαρμογή του φαινομένου σε βιομηχανική κλίμακα. Η παρούσα διατριβή έχει ως αντικείμενο της την διερεύνηση του μηχανισμού της ηλεκτροχημικής ενίσχυσης και την συσχέτισή του με την ανάπτυξη μιας ευρείας κλίμακας αλληλεπιδράσεων μετάλλου-φορέα, καθώς και την ανάπτυξη νέων συστημάτων στην κατεύθυνση της πλήρους μεταφοράς και εφαρμογής του φαινομένου NEMCA από την εργαστηριακή στην βιομηχανική κλίμακα. Κατασκευάστηκε ένας πρωτότυπος, ηλεκτροχημικά ενισχυόμενος καταλυτικός αντιδραστήρας (Monolithic Electrochemical Promoted Reactor, MEPR) και δοκιμάστηκε για την οξείδωση υδρογονανθράκων και την αναγωγή του ΝΟ. Στον αντιδραστήρα τοποθετούνται επίπεδες πλάκες στερεού ηλεκτρολύτη YSZ (0.25mm) οι οποίες είναι καλυμμένες και από τις δύο πλευρές με κατάλληλα λεπτά (400Å), πορώδη, αγώγιμα καταλυτικά στρώματα. Είκοσι δύο (22) τέτοιες πλάκες τοποθετούνται σε κατάλληλες εσοχές που έχουν χαραχθεί στις εσωτερικές επιφάνειες των τοιχωμάτων του κεραμικού περιβλήματος του αντιδραστήρα λειτουργώντας είτε ως καταλυτικά στοιχεία (21 πλάκες) είτε ως ηλεκτροχημικός ανιχνευτής (1 πλάκα). Κατά την λειτουργία του αντιδραστήρα επιτεύχθηκε φαρανταϊκή απόδοση μέχρι 27 για σχεδόν πλήρη μετατροπή του καυσίμου και του ΝΟ, σε ογκομετρικές παροχές αντιδρώντων που υπερέβαιναν το 1.5 l/min. Η διασπορά του καταλύτη ήταν υψηλότερη από 10%. Η νέα αυτή σχεδίαση του αντιδραστήρα απαιτεί μόνο δύο εξωτερικές ηλεκτρικές συνδέσεις και συνεπώς διευκολύνει την πρακτική εφαρμογή της ηλεκτροχημικής ενίσχυσης της κατάλυσης. Αναπτύχθηκε και παρουσιάζεται ακόμη μία νέα διάταξη και μια μέθοδος για την ενίσχυση της απόδοσης κελιών καυσίμου, η τριοδική κυψέλη καυσίμου (TFC). Η καινοτομία αυτή συνίσταται στην εισαγωγή, πέραν της ανόδου και καθόδου, ενός τρίτου βοηθητικού ηλεκτροδίου σε επαφή με τον στερεό ηλεκτρολύτη το οποίο και αποτελεί μαζί με την άνοδο ένα δεύτερο, βοηθητικό, ηλεκτροχημικό κελί. Η τριοδική λειτουργία κυψελών καυσίμου, βρέθηκε ότι ελέγχει και ενισχύει σημαντικά (μέχρι και 800%) την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ και την θερμοδυναμική απόδοσή τους. Η τριοδική λειτουργία κυψελών καυσίμου, είναι ιδιαίτερα επωφελής στις περιπτώσεις όπου η ανοδική ή καθοδική υπέρταση είναι σημαντικές, και ανοίγει το δρόμο για πρακτικές εφαρμογές σε κυψέλες καυσίμου SOFC χαμηλής ή ενδιάμεσης θερμοκρασίας ή PEMFC.
Abstract (translated): Although the non-faradaic electrochemical promotion of heterogeneous catalytic reactions (NEMCA effect) has been studied extensively for over seventy catalytic systems, there has been so far no large scale commercial utilization of electrochemical promotion for two reasons: (a) Expensive thick catalyst films (typically 0.1 μm to 5 μm thick) with metal dispersion below 0.01%. (b) Lack of efficient and compact reactor design allowing for the utilization of electrochemical promotion with a minimum of electrical connections to the external power supply. This thesis has two major goals: investigating the mechanism of electrochemical promotion and the correlation with metal-support interactions, which is of interest of academic point of view, and developing of new electrochemically promoted systems in the direction of future industrial applications. A novel dismantlable monolithic-type electrochemically promoted catalytic reactor has been constructed and tested for hydrocarbon oxidation and NO reduction. In this novel reactor, thin (~20-40 nm) porous catalyst films made of two different materials are sputter-deposited on opposing surfaces of thin (0.25 mm) parallel solid electrolyte (YSZ) plates supported in the grooves of a ceramic monolithic holder and serve as sensor (1 plate) or electropromoted catalyst elements (21 plates). Using Rh/YSZ/Pt type catalyst elements, the 22 plate reactor operated with apparent faradaic efficiency up to 27 achieving near complete fuel and NO conversion at gas flowrates exceeding 1.5 l/min. The metal catalyst dispersion was of the order of at least 10%. The novel reactor design requires only two external electrical connections and permits easy practical utilization of the electrochemical promotion of catalysis. There has been developed and described another new device and method for enhancing the power output and thermodynamic efficiency of fuel cells. In addition to the anode and cathode, the new device introduces a third electrode together with an auxiliary circuit which is run in the electrolytic mode and permits battery or fuel cell operation under previously inaccessible anode-cathode potential differences. The new device and method introduces a new controllable variable in fuel cell operation and has been found to very significantly reduce overpotential and to cause up to 800% enhancement in SOFC fuel cell power output, and also enhancement in overall thermodynamic efficiency. The triode operating mode is quite advantageous under conditions of high anodic or cathodic overpotential. Application of the triode concept to low temperature SOFC and PEM fuel cell units can significantly decrease anodic and cathodic polarization losses, and may, in principle, permit the use of alternative less costly electrode materials.
Appears in Collections:Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
162.pdf5.62 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.