• Print

ΕΡΕΥΝΑ

Details

Published: Friday, 07 June 2019 13:26

Hits: 1854

 

1.    Κυψέλες καυσίμου τύπου πολυμερικής μεμβράνης (PEM) και στερεών οξειδίων (SOFC)

Οι κυψέλες καυσίμου (fuel cells) αποτελούν διατάξεις που επιτρέπουν την απευθείας μετατροπή της χημικής ενέργειας του υδρογόνου (ή κάποιου άλλου καυσίμου) σε ηλεκτρική ενέργεια και θερμότητα, μέσω ηλεκτροχημικών αντιδράσεων. Οι κυψέλες καυσίμου παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις μηχανές εσωτερικής καύσης όπως: υψηλή θερμοδυναμική απόδοση καθώς δεν υπόκεινται στους περιορισμούς του κύκλου Carnot, μηδενικές εκπομπές καυσαερίων στην περίπτωση χρήσης υδρογόνου ή σημαντική μείωσή τους όταν τροφοδοτούνται με υδρογονάνθρακες, αθόρυβη λειτουργία και δυνατότητα εκμετάλλευσης και της θερμικής ενέργειας, ευέλικτη και αποκεντρωμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για πολλαπλές εφαρμογές. Σε σχέση με τις μπαταρίες, το μεγαλύτερο πλεονέκτημά τους είναι η εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα ενέργειας. Στο τομέα των κυψελών καυσίμου, η έρευνα επικεντρώνεται στους ακόλουθους τομείς:

• Ανάπτυξη ηλεκτροδίων χαμηλής περιεκτικότητας σε ευγενή μέταλλα, ανθεκτικών στην παρουσία μονοξειδίου του άνθρακα στην τροφοδοσία για κυψέλες καυσίμου τύπου PEM
• Ανάπτυξη κεραμικών ηλεκτροδίων για κυψέλες καυσίμου SOFC που τροφοδοτούνται με φυσικό αέριο (CH4) ή μονοξείδιο του άνθρακα
• Μελέτη του φαινομένου της τριοδικής λειτουργίας για την βελτίωση της απόδοσης κυψελών καυσίμου και της ανθεκτικότητάς του στην εναπόθεση άνθρακα

 

2.    Διατάξεις ηλεκτρόλυσης τύπου πολυμερικής μεμβράνης και στερεών οξειδίων

Το υδρογόνο (Η₂) αποτελεί την πρώτη ύλη για ποικίλες βιομηχανικές δραστηριότητες και ένα σημαντικότατο καύσιμο που μπορεί να τροφοδοτήσει μεγάλο εύρος ενεργειακών αναγκών, όπως η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (οικιακή ή βιομηχανική) αλλά και ως καύσιμο στις μεταφορές. Το σημαντικότερο μέρος της παγκόσμιας παραγωγής καλύπτει τις ανάγκες της χημικής και πετροχημικής βιομηχανίας, όπως για παράδειγμα την επεξεργασία (αναβάθμιση) των ορυκτών καυσίμων και την παραγωγή αμμωνίας, ενώ αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι των στρατηγικών αποθήκευσης ενέργειας (κυρίως από ΑΠΕ) καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως «καθαρός» ενεργειακός φορέας. Το υδρογόνο υπάρχει σε αφθονία ως συστατικό των περισσότερων ενώσεων που συναντώνται στη φύση (π.χ. H₂O, CH₄ κτλ) και μπορεί να ανακτηθεί από αυτές μέσα από πολλές χημικές διεργασίες, όπως είναι οι θερμοχημικές, βιοχημικές, (φωτο)καταλυτικές ή ηλεκτροχημικές.

Μεταξύ αυτών των διεργασιών, η χρήση ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας για την διάσπαση του νερού μέσω ηλεκτρόλυσης για παραγωγή υδρογόνου αποτελεί μια ελκυστική και πολλά υποσχόμενη μέθοδο. Σε σύγκριση με άλλα συστήματα ηλεκτρόλυσης νερού, οι διατάξεις τύπου πολυμερικής μεμβράνης (polymer electrolyte membrane, PEM) εμφανίζουν πολλά πλεονεκτήματα, όπως υψηλή απόδοση και όγκο παραγωγής, παραγωγή υπερ-καθαρού H2, το οποίο είναι δυνατόν να αποθηκευτεί ή να χρησιμοποιηθεί απευθείας, σε υψηλή πίεση χωρίς τη χρήση συμπιεστών, ενώ ταυτόχρονα πρόκειται για απλά και ασφαλή συστήματα. Όταν μάλιστα οι διατάξεις ηλεκτρόλυσης συνδυαστούν με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) για την παροχή της απαραίτητης ηλεκτρικής ενέργειας, τότε η όλη διεργασία αποτελεί μια απόλυτα «καθαρή» μέθοδο παραγωγής υδρογόνου με μηδενικό αποτύπωμα άνθρακα.

Η χρήση διατάξεων υψηλής θερμοκρασίας, αντίστοιχων με των SOFC, για την παραγωγή υδρογόνου παρουσιάζει επίσης σημαντικά πλεονεκτήματα με σημαντικότερο αυτό της υψηλής θερμοδυναμικής απόδοσης καθώς ένα μεγάλο ποσό της απαιτούμενης ενέργειας για την διάσπαση του νερού προσφέρεται θερμικά (μειώνοντας την αντίστοιχη απαίτηση σε ηλεκτρική ενέργεια). Επιπλέον, στις διατάξεις ηλεκτρόλυσης στερεών οξειδίων υπάρχει η δυνατότητα διάσπασης τόσο του διοξειδίου του άνθρακα προς παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα (το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο σε μια κυψέλη καυσίμου) ή ακόμα και η συνδυασμένη ηλεκτρόλυση CO₂ και ατμού προς παραγωγή αερίου σύνθεσης (μείγμα CO και H₂), το οποίο αποτελεί το δομικό στοιχείο για την σύνθεση ενός πλήθους χημικών προϊόντων. Επομένως, η διατάξεις ηλεκτρόλυσης υψηλής θερμοκρασίας μπορούν να συμβάλουν στην αποτελεσματική ανακύκλωση του CO₂.

Στο τομέα της ηλεκτρόλυσης, η έρευνα επικεντρώνεται στους ακόλουθους τομείς:

• Ανάπτυξη και κατασκευή συστατικών (ηλεκτροκεραμικά υποστηρίγματα, ηλεκτροκαταλύτες, διατάξεις ηλεκτροδίων μεμβράνης) για διατάξεις ηλεκτρόλυσης τύπου PEM
• Ανάπτυξη δι-λειτουργικών ηλεκτροδίων για αναγεννούμενες κυψέλες καυσίμου
• Ανάπτυξη υλικών/ηλεκτροδίων και διατάξεων για την ηλεκτρόλυση διοξειδίου του άνθρακα και την συνδυασμένη ηλεκτρόλυση CO₂ και ατμού προς αέριο σύνθεσης σε διατάξεις ηλεκτρόλυσης στερεών οξειδίων
• Ανάπτυξη αποδοτικών ηλεκτροδίων ανθεκτικών για χρήση τους σε συμμετρικές και αντιστρεπτές κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου για ηλεκτρόλυση (Α) H₂O και κυψέλη καυσίμου H₂-O₂ και (Β) συνδυασμένη ηλεκτρόλυση H₂O/CO₂ και κυψέλη καυσίμου H₂-CO/O₂
• Ανάπτυξη ολοκληρωμένων συστημάτων αναγεννούμενων κυψελών καυσίμου

 

3.    Μπαταρίες ιόντων λιθίου

Οι μπαταρίες αποτελούν την πιο ώριμη και ευρέως διαδεδομένη ηλεκτροχημική τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας με πολλές εφαρμογές στην καθημερινότητάς μας. Παρόλα αυτά, παραμένουν αρκετές επιστημονικές/τεχνολογικές προκλήσεις που σχετίζονται με βελτίωση της χωρητικότητάς τους (ή αντίστοιχα της ενεργειακής τους πυκνότητας), της αύξηση του κύκλου ζωής τους, την μείωση του κόστους τους και την χρήση υλικών που δεν περιέχουν πρώτες ύλες κρίσιμης σημασίας (critical raw materials). Η διείσδυση της ηλεκτροκίνησης που ξεκίνησε ήδη και αναμένεται να γιγαντωθεί τα επόμενα χρόνια, απαιτεί άμεσες λύσεις στο τομέα των μπαταριών. Επομένως, η έρευνα στον τομέα των μπαταριών είναι ιδιαίτερης σημασίας τόσο για την κατανόηση των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά την λειτουργία τους, την διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των διαφορετικών συστατικών (ηλεκτροδίων, ηλεκτρολυτών) όσο και για την ανάπτυξη νέων αποδοτικότερων υλικών και διατάξεων.

Η έρευνα επικεντρώνεται στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, καθώς αποτελούν μια τεχνολογία με σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των άλλων τεχνολογιών μπαταριών, και συγκεκριμένα στους ακόλουθους τομείς:

• Ανάπτυξη υγρών ηλεκτρολυτών μπαταριών ιόντων λιθίου υψηλής χωρητικότητας με δυνατότητα λειτουργίας υπό συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας (έως -40^oC) για διαστημικές εφαρμογές
• Ανάπτυξη ανόργανων στερεών ηλεκτρολυτών για μπαταρίες στερεού τύπου για εφαρμογές στην αυτοκίνηση

 

 

---

Η έρευνα πραγματοποιείται σε συνεργασία με το Εργαστήριο Ανάπτυξης Ολοκληρωμένων Συστημάτων Διεργασιών (ΕΑΝΟΣΥΣ) του Ινστιτούτου Χημικών Διεργασιών και Ενεργειακών Πόρων (ΙΔΕΠ) του Εθνικού Κέντρου Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (ΕΚΕΤΑ).

Ερευνητική ομάδα ηλεκτροχημικών τεχνολογιών: Δρ. Στέλλα Μπαλωμένου (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.), Κύρια Ερευνήτρια Δρ. Καλλιόπη Μαρία Παπαζήση (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.), Συνεργαζόμενη Ερευνήτρια Δρ. Νικολέτα Στρατάκη (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.), Συνεργαζόμενη Ερευνήτρια Δρ. Ιωάννα Πετρακοπούλου (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.), Συνεργαζόμενη Ερευνήτρια Μαρία Ελευθερία Φαρμάκη (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.), Συνεργαζόμενη Ερευνήτρια Ναούμα Μπιμπίρη (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.), Υποψήφια Διδάκτορας Τμήματος Χημείας, ΑΠΘ