Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των κυψελών καυσίμου οι οποίες αποτελούν εναλλακτική πηγή τάσεως και συγκεκριμένα μια ειδικής κατηγορίας αυτών, τις λεγόμενες κυψέλες καυσίμου τύπου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων. Παρουσιάζονται οι μηχανισμοί που προκαλούν πτώση τάσεως και περιγράφονται οι θερμοδυναμικοί νόμοι που διέπουν τη λειτουργία της κυψέλης έτσι ώστε να προκύψουν οι εξίσωσεις εκέινες οι οποίες αναπαριστούν την λειτουργία της κυψέλης. Επίσης, παρουσιάζονται τα επιμέρους συστήματα που χρειάζονται για την τροφοδότηση του φορτίου και αναφέρονται διάφορα στοιχεία περί της τεχνολογίας υδρογόνου όσον αφορά τρόπους παραγωγής και αποθήκευσης καθώς και πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα αυτού ως καύσιμο έναντι των συμβατικών καυσίμων εξαιτίας του γεγονότος ότι το υδρογόνο αποτελεί το κύριο καύσιμο για τις προαναφερθείσες συστοιχίες. Τα συστήματα κυψελών καυσίμου αναμένεται να διαδραματίσουν σπουδαίο ρόλο στην παραγωγή ισχύος στο μέλλον λόγω της αποδοτικότητας, της καθαρότητας και της αξιοπιστίας τους και λόγω φυσικά της εξάντλησης των αποθεμάτων σε συμβατικά καύσιμα.Οι κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων παρουσιάζουν χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας και χαμηλούς χρόνους εκκίνησης και για αυτό προτιμούνται έναντι των άλλων τύπων κυψελών καυσίμων. Πραγματοποιείται πειραματική δοκιμή δυναμικών μεταβολών σε μία συστοιχία κυψέλων καυσίμου τύπου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων ισχύος 1,2kW της εταιρίας Nexa και συγκρίνονται-αξιολογούνται οι καμπύλες λειτουργίας που προκύπτουν από την πειραματική διαδικασία με αυτές που παρουσίάζονται από τον κατασκευαστή. Επίσης η προαναφερθείσα συστοιχία μοντελοποιείται στο Matlab με βάση τις εξισώσεις που διέπουν την λειτουργία της και λαμβάνοντας υπόψιν τα επιμέρους χαρακτηριστικά της συστοιχίας. Η προσαρμογή των παραμέτρων πραγματοποιήθηκε αξιοποιώντας την άμεση συσχέτιση των ηλεκτροχημικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό της κυψέλης με την θερμική ανάλυση των ηλεκτρικών στοιχείων. Προκύπτουν έτσι διάφορα χρήσιμα διαγράμματα που αφορούν τόσο την χημική πλευρά του θέματος αλλά και την ηλεκτρική συμπεριφορά που ενδιαφέρει άμεσα τον Ηλεκτρολόγο Μηχανικό. Τέλος, αναπτύσσεται ένα μοντέλο στο Simulink, όπου στην έξοδο του fuel cell συνδέεται ένας μετατροπέας τύπου boost για τροφοδότηση του φορτίου και μελετάται η συμβολή του μετατροπέα αυτού στην απόκριση του συστήματος. Η βασική αρχή που διέπει την λειτουργία ενός μετατροπέα τύπου boost είναι η ιδιότητα της επαγωγής να αντιστέκεται στην μεταβολή του ρεύματος που την διαρρέει. Όταν φορτίζεται το πηνίο δρα σαν φορτίο που απορροφά ενέργεια, ενώ όταν εκφορτίζεται λειτουργεί σαν μια πηγή ενέργειας (σαν μια μπαταρία). Οι dc – dc boost μετατροπείς ρυθμίζουν την τάση εξόδου ώστε αυτή να είναι μεγαλύτερη της τάσης εισόδου. Χρησιμοποιείται ανατροφοδότηση ώστε να μεταβάλλεται κατάλληλα η παλμοδότηση των ημιαγωγικών μας στοιχείων και επομένως να αλλάζει συνεχώς ο λόγος κατάτμησης έτσι ώστε να έχουμε πάντα στην έξοδο του boost 80V. Η ύπαρξη ανατροφοδότησης είναι αναγκαία γιατί όπως μπορούμε να δούμε παρακάτω από τις κυματομορφές της εξόδου του fuel cell , η τάση δεν έχει κάποια σταθερή τιμή, αλλά αντιθέτως μεταβάλλεται συναρτήσει της φύσης και της τιμής του φορτίου. Έτσι, αν δεν γινόταν έλεγχος του λόγου κατάτμησης, η έξοδος του boost θα ακολουθούσε την έξοδο του fuel cell με τις ίδιες διακυμάνσεις και απλώς θα ήταν ενισχυμένη σε πλάτος κατά ένα ποσοστό. Η προσαρμογή των παραμέτρων του προτεινόμενου μοντέλου βασίστηκε στην ελαχιστοποίηση του σφάλματος μεταξύ πειραματικών δεδομένων και αποτελεσμάτων προσομοίωσης. Επιβεβαιώθηκε ότι το fuel cell του μοντέλου παρουσιάζει παρόμοια λειτουργία με αυτό της πειραματικής διάταξης και γίνονται φανερά τα πλεονεκτήματα από την τοποθέτηση ενός τέτοιου είδους μετατροπέα στην έξοδο της συστοιχίας. Όπως φαίνεται από τις καμπύλες που αναπαριστούν τον χρόνο της δυναμικής απόκρισης της κυψέλης καυσίμου τύπου PEM, αυτή κυμαίνεται μεταξύ μερικών εκατοντάδων millisecond (περίπου 0.5sec). Η καθυστέρηση αυτή που παρουσιάζεται στην δυναμική απόκριση της κυψέλης οφείλεται στο γεγονός ότι η αντλία του αέρα αδυνατεί να προσφέρει αρκετή ποσότητα αέρα ώστε να αντιδράσει με το απαιτούμενο υδρογόνο με άμεση συνέπεια στο εσωτερικό της κυψέλης (φαινόμενο διπλής ηλεκτροστιβάδας) και παρουσιάζεται στο ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα με πυκνωτές μεγάλων τιμών (μερικών Farad). Η αδυναμία της κυψέλης να ανταπεξέλθει ακαριαία στις αλλαγές φορτίου, οφείλεται και στις απώλειες διάχυσης. Σε γενικές γραμμές όμως η συστοιχία των κυψελών καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων που μελετήθηκε παρουσίασε καλή δυναμική συμπεριφορά πράγμα που δείχνει ότι τέτοιου είδους συστήματα αδιαμφισβήτητα αποτελούν μία υποσχόμενη τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και ενισχύει το επιχείρημα της χρησιμοποίησης κυψελών καυσίμου σε εφαρμογές ηλεκτροκίνησης Η μελλοντική ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων που χρησιμοποιούν ως καύσιμο το υδρογόνο αναμένεται ραγδαία δεδομένου των ενεργειακών προβλημάτων που αντιμετωπίζει η παγκόσμια κοινότητα σήμερα. Πρόκειται για συστήματα τα οποία μπορούν να δώσουν ανεξαρτησία και φιλική προς το περιβάλλον ενέργεια. / The purpose of this essay is the study of fuel cells (an alternative source of energy) and especially PEM fuel cells. The mechanisms that cause voltage drop in addition to the thermodynamic laws are presented in order to describe the stack operation. Moreover, the individual systems that be needed for the supply of load and some important imformatiοns about the technology of hydrogen (production, storage, advantages, disadvantages of this against conventional fuels) due to the fact that this is the main fuel for these types of fuel cells. Fuel cells are expected to play an important role in the power generation field due to the virtue of the ones inherent clean, efficient and reliable function. The proton exchange membrane fuel cells is the one which draws more attention-compared to current technologies-due to its low operating temperature, ease of start-up and shot-down, and its robustness and solidity. These advantages make it a promising technology for alternative power supply on future vehicles. The current thesis focuses on the experimental data analysis of dynamic responses on a proton exchange membrane fuel cell (1.2kW). This analysis is followed by depicting and comparing the curves that are made out from the experimental procesure with those given by the data sheet. This system is also simulated with Matlab Tools. The several diagrams show many useful aspects about the chemical side of subject in addition to the electric behavior of the stack that concerns mostly the Electric Engineer. A valid model for Fuel Cell and a DC/DC converter that be connected in series is being simulated with simulink tools based on the NEXA 1.2kW operational data. The design of the PEM Fuel Cell is based on the parameters that have been used during the experimental procedure in order to compare the equivalent results. The key principle that drives the boost converter is the tendency of an inductor to resist changes in current. When being charged it acts as a load and absorbs energy (somewhat like a resistor), when being discharged, it acts as an energy source (somewhat like a battery). The main advantages of the boost converter are higher efficiency & reduced component count and it converts the unregulated voltage into desired regulated voltage by varying the duty cycle at high switching frequency lowering the size and cost of energy storage components. The selection of components like boost inductor value and capacitor value is very important to reduce the ripple generation for a given switching frequency. In general, the dynamic behaviour of PEM fuel cell that were presented is quite satisfactory and thats why such systems uncontradictable constitute a promising technology for electric energy production. The future development of hydrogen fuel cell systems for autonomous and interconnected electric power production is expected very high. These systems can produce clean and environmentally friendly energy. Renewable power sources are the most important solution to the global warming problem.

H Ζιρκόνια σταθεροποιημένη με Ύττρια (Yttria Stabilized Zirconia (YSZ)) χρησιμοποιείται σήμερα ευρέως στη βιομηχανία μηχανών για αεριωθούμενα και στη οδοντιατρική. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον για την εφαρμογή της σε κυψελίδες καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη (SOFCs) μιας και παρουσιάζει αγωγιμότητα ιόντων οξυγόνου σε μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος, διαθέτει υψηλή μηχανική αντοχή, μεγάλη σκληρότητα και χημική σταθερότητα σε συνθήκες ηλεκτρικής φόρτισης και αντίδρασης. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη μεθόδου για εναπόθεση υμενίων ζιρκονίας με την βοήθεια πλάσματος. Η εναπόθεση λεπτών υμενίων YSZ με τη χρήση πλάσματος χαμηλής πίεσης παρουσιάζει μερικά σημαντικά πλεονεκτήματα όπως εναπόθεση σε χαμηλές θερμοκρασίες (<400oC) και ομοιόμορφη κάλυψη της επιφάνειας με μεγάλη πυκνότητα. Από την άλλη πλευρά η ιδιαιτερότητα της εναπόθεσης μέσω πλάσματος έγκειται στο γεγονός ότι η δομή, οι ιδιότητες και η χημική σύσταση των παραγόμενων υμενίων εξαρτώνται σημαντικά από τις παραμέτρους της διεργασίας. Στο πρώτο μέρος της εργασίας αναπτύσσεται η εναπόθεση υμενίων YSZ με τη τεχνική πλάσματος χαμηλής πίεσης από μεταλλοργανικές πρόδρομες ενώσεις υττρίου και ζιρκονίου σε δύο διαφορετικούς αντιδραστήρες πλάσματος, ενός επαγωγικά και ενός χωρητικά συζευγμένου. Μελετήθηκε η επίδραση της παρεχόμενης στο πλάσμα ισχύος, των παροχών των πρόδρομων ενώσεων, του συνολικού χρόνου της διεργασίας και της θερμοκρασίας του υποστρώματος στα μορφολογικά χαρακτηριστικά, στην δομή και τη σύσταση των παραγόμενων υμενίων. Στην συνέχεια εξετάσθηκε πως η χρήση πλάσματος αργού-οξυγόνου, σε ήδη εναποτεθειμένα υμένια ζιρκονίου και υττρίου με τις τεχνικές φυσικής εναπόθεσης (spin και spray coating), ενισχύει την κρυστάλλωση του υμενίου σε κυβική YSZ. Γίνεται σύγκριση με τα αποτελέσματα που λαμβάνονται για την κρυστάλλωση των υμενίων με τη μέθοδο της θερμικής ανόπτησης ως προς τον χρόνο αλλά και τη θερμοκρασία κρυστάλλωσης που χρειάζεται ώστε να επιτευχθεί το ίδιο αποτέλεσμα. Τα υμένια χαρακτηρίσθηκαν με μια σειρά από τεχνικές όπως: φασματοσκοπία φοτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS), ηλεκτρονιακή μικροσκοπία σάρωσης (SEM), περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) και μικροσκοπία ατομικών δυνάμεων (AFM). Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι η παρεχόμενη ισχύ, ο χρόνος της διεργασίας καθώς και η θερμοκρασία του υποστρώματος παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη τη δομή και τη μορφολογία των υμενίων YSZ. Για την πλήρη κρυστάλλωση σε κυβική ζιρκονία σταθεροποιημένη με ύττρια αλλά και την πλήρη απομάκρυνση του άνθρακα από το υμένιο, απαιτήθηκε ένα στάδιο ανόπτησης του υμενίου σε φούρνο υψηλής θερμοκρασίας. Αντικατάσταση αυτού του βήματος με επεξεργασία με πλάσμα, οδήγησε σε σημαντική ελάττωση του χρόνου αλλά και της θερμοκρασία κρυστάλλωσης με αποτέλεσμα η συγκεκριμένη τεχνική χημικής ανόπτησης να είναι ενεργειακά συμφέρουσα σε σχέση με την θερμική. Βελτιστοποίηση της διεργασίας χημικής ανόπτησης με πλάσμα έδειξε ότι είναι εφικτή η κρυστάλλωση των υμενίων σε πολύ μικρούς χρόνους και σε θερμοκρασίες μικρότερες από 400°C. / Nowadays Yttria stabilized Zirconia (YSZ) are widely used in the industries of jet engines and also in dentistry. In recent years a lot of effort has been given for the use of YSZ in solid oxide fuel cells (SOFCs) because of its high ionic conductivity in a wide temperature range, its high mechanical strength, high hardness and chemical stability. The purpose of this study is to develop a method for deposition of zirconia films with the use of plasma. The YSZ thin films deposition using low pressure plasma has important advantages such as deposition at low temperatures (<400oC) and uniform coverage of the surface with high density films. On the other hand, the uniqueness of the deposition by plasma is that the structure, the properties and the chemical composition of the films depends on the parameters of the process. In the first part of the thesis, the process of depositing YSZ films is been developed from organometallic precursors of yttrium and zirconium in two different plasma reactors, an inductively and a capacitively coupled plasma reactor. It has been investigated how the plasma power, the amount of the precursors, the total time of the process and the substrate’s temperature affect the morphological characteristics, the structure and composition of the films. It has been also examined how Argon-Oxygen plasma enhances the crystallization to cubic YSZ of already deposited amorphous films of zirconium and yttrium, which have been prepared by physical deposition techniques like spin coating and spray pyrolysis. The results is been compared with the results which have been obtained for the crystallization of the same films by thermal annealing regarding the annealing time temperature in order to achieve the same final crystallization results. The films were characterized by a variety of techniques such as X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Diffraction (XRD) and Atomic Force Microscopy (AFM). The results showed that the plasma power, the process time and the temperature of the substrate play an important role in the development of the structure and the morphology of the YSZ films. In order fully crystallization to be achieved in cubic yttria stabilized zirconia and complete removal of the organic character of the “as deposited” films, a final step of annealing the films in a high-temperature furnace is needed. Replacing this step by Argon-Oxygen plasma treatment resulted a significant reduction in time and crystallization temperature so that the chemical annealing is advantageous in energy consumption compared to thermal annealing. Optimization of the chemical plasma treatment process showed that it is possible to get fully crystallized films in shorter time and for values of temperatures less than 400°C.

Στην εργασία αυτή εφαρμόσθηκε η τεχνική της ηλεκτρονικής δέσμης(e-beam) για την απόθεση του οξειδίου του ζιρκονίου σταθεροποιημένου με οξείδιο του υττρίου (ZrO2 8%mol Y2O3 : 8YSZ) - υλικό το οποίο αποτελεί τη δημοφιλέστερη επιλογή για χρήση ως ηλεκτρολύτη σε κελιά καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη (Solid Oxide Fuel Cells: SOFCs). Με τη φυσική αυτή τεχνική αποτέθηκε πληθώρα υμενίων σε διάφορα υποστρώματα, αλλά κυρίως σε δισκία NiO-YSZ, που είναι το ηλεκτρόδιο ανόδου σε SOFCs. Αυτού του τύπου τα κελιά καυσίμου παρουσιάζουν μεγάλη πυκνότητα ισχύος και λειτουργούν σε θερμοκρασίες οι οποίες κυμαίνονται από 800-1000οC. Η λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες εισάγει προβλήματα που σχετίζονται με τη διαθεσιμότητα των υλικών και την αντοχή τους κάτω από αντίστοιχες συνθήκες για μεγάλο χρονικό διάστημα. Προκειμένου να μειωθεί η θερμοκρασία λειτουργίας χωρίς αυτό να έχει επίπτωση στην απόδοση του κελιού επιδιώχθηκε η κατασκευή υμενίων ηλεκτρολυτών μικρού πάχους (~1μm). Τα υμένια αυτά, μετά την κατασκευή τους υπέστησαν θερμική κατεργασία (ανόπτηση) σε διάφορες θερμοκρασίες και εξετάστηκαν οι φυσικές τους ιδιότητες με διάφορες τεχνικές, με σκοπό να προσδιοριστούν οι παράμετροι εκείνες οι οποίες επηρεάζουν την ανάπτυξη των φιλμ, το δομή και τη μορφολογία τους. Στοιχειομετρικά τα υμένια δε διαφέρουν αισθητά από το υλικό από το οποίο προέρχονται. Από τις ποσοτικές μετρήσεις βλέπουμε ότι σε σχέση με το αρχικό υλικό ο κατά βάρος λόγος Y2O3/ZrO2 στο υμένιο δε μεταβάλλεται. Ο χαρακτηρισμός της δομής των μικτών οξειδίων πραγματοποιήθηκε με μεθόδους περίθλασης ακτίνων Χ. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι η αρχικά μικροκρυσταλλική δομή της σκόνης, με αύξηση της θερμοκρασίας πύρωσης και μεγέθυνσης των κόκκων, μετατρέπεται σε μακροκρυσταλλική με την κυβική δομή του πλέγματος φθορίτη. Η μορφολογία των αποτιθέμενων υμενίων μελετήθηκε με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Βρέθηκε ότι υμένια που κατασκευάστηκαν με υψηλούς ρυθμούς εξάχνωσης έχουν μικρότερο πορώδες, παρουσιάζουν μεγαλύτερη συνοχή και εμφανίζουν λιγότερα ή και καθόλου ρήγματα μετά από θερμική επεξεργασία. Έγινε προσπάθεια λειαίνοντας την επιφάνεια υποστρωμάτων να μειωθεί το πορώδες τους ώστε να γίνει δυνατή η απόθεση ακόμη λεπτότερων υμενίων. Έτσι, κατασκευάστηκαν υμένια με πάχος από 600-1500nm, τα οποία παρουσιάζουν όλες εκείνες τις επιθυμητές ιδιότητες και αποτελούν ενδιαφέρουσα πρόταση για εφαρμογή σε κελιά καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη. / In this project we have applied the technique of e-beam evaporation for the deposition of zirconium oxide stabilized with yttrium oxide (ZrO2 8%mol Y2O3: 8YSZ) - a material which constitutes the most popular choice for use as electrolyte in solid oxide fuel cells. With this physical technique we have deposited many films on various substrates and especially on NiO-YSZ pellets, which constitute the anode in SOFCs. This type of fuel cells presents high energy density when working at temperatures in the 800-1000oC range. However, the operation in high temperatures introduces problems that are related with availability of materials and their performance under extreme conditions for a long period of time. In order to reduce the cell’s working temperature without affecting its efficiency we have deposited thin films with thickness in the ~1μm range. After preparation the films have been thermically treated (annealed) in various temperatures and their physical properties have been investigated with various techniques, in order to determine the parameters that affect the films' growth, structure and morphology. In terms of composition the films do not differ much from the evaporating material. From quantitative measurements we see that the Y2O3-ZrO2 weight ratio in both the evaporating material and the film is identical. The characterization of the structure of mixed oxides was realized with methods of X ray diffraction. From the corresponding spectra we see that YSZ's microcrystalline structure, with increase of temperature [annealing] and subsequent enlargement of grains, is initially changed to macrocrystalline, with the cubic flourite structure. The morphology of the deposited films was studied with a Scanning Electron Microscope. Thus, it was found that films that were manufactured at high deposition rates have smaller porosity and present better cohesion and thermal behavior. Polishing techniques have been used to further decrease the substrate's porosity, in order to be able to deposit thinner functional films. Thus, we were able to manufacture films with thickness from 600-1500nm, that exhibited desirable properties and constitute an interesting alternative for use in SOFCs.

Στα πλαίσια της αναζήτησης νέων µεθόδων παραγωγής ενέργειας υψηλής απόδοσης και φιλικής προς το περιβάλλον, ένα µεγάλο µέρος των ερευνητικών δραστηριοτήτων σε διεθνή κλίµακα έχει στραφεί στην ανάπτυξη της τεχνολογίας των κελίων καυσίµου στερεού ηλεκτρολύτη, SOFC’s (Solid Oxide Fuel Cell’s). Λόγω της φιλικότητάς τους προς το περιβάλλον τα SOFC’s µπορεί να εισαχθούν για χρήση και σε αστικές περιοχές, όπου παράλληλα µε την παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια, είναι δυνατόν να αξιοποιηθεί και η εκλυόµενη θερµική ενέργεια για θέρµανση χώρων, αυξάνοντας συνολικά την αποτελεσµατικότητά τους. Ένα από τα µειονεκτήµατα που εµφανίζονται κατά την µακρόχρονη λειτουργία ενός «State of the art» κελίου καυσίµου αποτελούµενο από Ni/YSZ-κεραµοµεταλλικό (άνοδος) – YSZ (ηλεκτρολύτη) – LaMnO3 περοβσκίτης (κάθοδος) – LaCrO3 περοβσκίτης (συνδέτης) είναι η υποβάθµιση της απόδοσής του, η οποία µεταξύ άλλων οφείλεται και στην αστάθεια της µικροδοµής του κεραµοµεταλλικού ηλεκτροδίου της ανόδου, λόγω συσσωµάτωσης της µεταλλικής φάσης. Στόχος της εργασίας ήταν η βελτίωση της ευστάθειας της µικροδοµής, καθώς και η διερεύνηση της δυνατότητας ελάττωσης του ποσοστού συµµετοχής της µεταλλικής φάσης στο κεραµοµεταλλικό υλικό του ηλεκτροδίου της ανόδου, χωρίς σηµαντική απώλεια σε ηλεκτρική αγωγιµότητα. Για τον σκοπό αυτό παρασκευάσθηκαν, χαρακτηρίσθηκαν και ελέγχθηκαν οι ιδιότητες µικτών κεραµικών οξειδίων επιλεγµένων συνθέσεων του τριµερούς συστήµατος ZrO2-Y2O3-TiO2 (η Cr2O3) καθώς και τα αντίστοιχα κεραµοµεταλλικά Ni/ZrO2-Y2O3-TiO2 µε προσθήκη 30,40 και 45 vol% Ni. Aπό τα αποτελέσµατα προέκυψε ότι σε θερµοκρασία πύρωσης 1400ºC σχηµατίζονται µικτά οξείδια µε την κυβική δοµή του πλέγµατος φθορίτη και συντελεστή θερµικής διαστολής αντίστοιχο του ηλεκτρολύτη (YSZ). Η ηλεκτρική τους αγωγιµότητα σε ατµόσφαιρα Ar+4%H2 είναι µικτού τύπου (ιοντική + ηλεκτρονιακή), όµως λόγω της χαµηλής απόλυτης τιµής στην θερµοκρασιακή περιοχή λειτουργίας του κελίου καυσίµου (900-1000ºC) δεν προσφέρονται για χρήση αυτούσια, ως κεραµικές άνοδοι. ΠΕΡΙΛΗΨΗ-ABSTRACT 6 Από πειράµατα διαβροχής στο σύστηµα Ni σε επαφή µε τα µικτά οξείδια προέκυψε ότι η παρουσία TiO2 βελτιώνει την συνάφεια και ως εκ τούτου την ισχύ του δεσµού στην διεπιφάνεια µετάλλου/κεραµικού. Η βελτίωση των διεπιφανειακών ιδιοτήτων έχει σαν αποτέλεσµα των ελάττωση του συντελεστού διαστολής των κεραµεταλλικών και την καλλίτερη µηχανική προσαρµογή τους στον ηλεκτρολύτη (YSZ).Επίσης, λόγω της µείωσης του ρυθµού συσσωµάτωσης των σωµατιδίων της µεταλλικής φάσης, οι τιµές της ηλεκτρικής αγωγιµότητας των κεραµοµεταλλικών παραµένουν σε υψηλά επίπεδα και µετά από µακροχρόνια παραµονή σε συνθήκες λειτουργίας (1000ºC, 1000h). Πρώτες ηλεκτροχηµικές µετρήσεις σε κελία καυσίµου µε κεραµοµεταλλική άνοδο, αποτελούµενη από επιλεγµένη σύνθεση µικτού οξείδίου του τριµερούς συστήµατος ως κεραµικής συνιστώσας, έδωσαν ενθαρρυντικά αποτελέσµατα αφήνοντας σηµαντικά περιθώρια για επίτευξη ικανοποιητικών επιδόσεων, µε βελτίωση του τρόπου κατασκευής. / Within the research framework for the development of alternative, friendly to the environment methods for the production of energy, significant effort is focusing on the SOFC’s (Solid Oxide Fuel Cell’s) technology. Due to their low pollutant emissions fuel cells can be applied inside civil areas were the electrical power can be used together with the thermal energy generated by the cell, increasing the total performance of the device. The “state of the art” fuel cell structure is the anode electrode (Ni/YSZ cermet), the electrolyte (YSZ), the cathode electrode (LaMnO3 perowskite) and the interconnector (LaCrO3 perowskite). One of the disadvantages of fuel cells is the performance degradation due to the instability of the YSZ/Ni anode electrode microstructure caused by metal phase sintering. This work aims to the improvement of microstructure stability as well as the possibility of reducing the amount of the metallic phase to the anode cermet without affecting its electrical properties. New ceramic materials of the ternary system ZrO2-Y2O3-TiO2 (or Cr2O3) were produced and characterized as well as their corresponding cermets Ni/ZrO2-Y2O3-TiO2 by the addition of 30,40 and 45 vol% Ni. After calcination at 1400ºC mixed oxides are formed having cubic fluorite crystal structure and similar thermal expansion properties to the YSZ ceramic oxide. The electrical conductivity in reducing atmosphere Ar+4%H2 is of electronic and ionic type but due to the low values in the working temperature range of a fuel cell (900-1000ºC) they cannot be used independently as anode materials. Wetting experiments of the system Ni in contact to those mixed oxides showed that TiO2 presence enhances the adherence and the bond strength at the metal ceramic interface. Improvement of the interfacial properties results to the decrease of cermets thermal expansion improving in this way the mechanical adjustment of the anode to the electrolyte. Also due to the decrease of the sintering tendency of the metallic phase particles, the electrical conductivity values remain at high values after long term annealing at high temperature (1000ºC, 1000h). Early electrochemical tests performed to fuel cells having a selected anode material showed encouraging results leaving space for improvement especially to the construction methods used in order to achieve satisfactory performance.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή έγινε η μελέτη της φύσης των επιφανειακών ειδών άνθρακα που δημιουργούνται στην επιφάνεια κεραμομεταλλικών υλικών βασισμένα στο Ni-YSZ κατά την θερμοδυναμική ισορροπία της διασπαστικής ρόφησης του μεθανίου. Κύριος στόχος της μελέτης ήταν να διερευνηθεί η επίδραση της παρουσίας ενός δεύτερου μετάλλου στο Ni-YSZ, όσον αφορά τον σχηματισμό και/ή την αναστολή του ανενεργού άνθρακα. Η επικάλυψη της επιφάνειας του Ni με μικρή ποσότητα Au (≤1%at σε σχέση με το Ni) επηρέασε σημαντικά την κινητική της διασπαστικής ρόφησης του CH4 και την ενέργεια δεσμού των ροφημένων ειδών CHx στην επιφάνεια του Ni. Ο σχηματισμός γραφιτικού άνθρακα παρεμποδίστηκε, ενώ η επιφανειακή δραστικότητα για την υδρογόνωση των CHx προς CH4 ήταν χαμηλότερη από ότι στον Ni-YSZ. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την υψηλότερη σταθερότητα και την επιμήκυνση του χρόνου ζωής των CHx πάνω στην επιφάνεια του NiAu/YSZ πριν την διάσπαση τους προς επιφανειακά καρβιδικά είδη. Με βάση τις πειραματικές μετρήσεις, προτάθηκε κινητικό μοντέλο για την περιγραφή της μερικής οξείδωσης του μεθανίου για την παραγωγή αερίου σύνθεσης. Οι αντιδράσεις οξείδωσης περιλαμβάνουν την οξείδωση των ειδών CHx προς CHxO και την επακόλουθη διασπασή τους σε υψηλές θερμοκρασίες (700 Κ) προς CO και H2, ενώ τα καρβιδικά είδη οξειδώνονται εκλεκτικά προς CO2 από χαμηλότερες θερμοκρασίες (500 Κ). Από αυτή την άποψη, η εκλεκτικότητα ως προς το αέριο σύνθεσης εξαρτάται από δύο παράγοντες: (i) τον χρόνο ζωής και την επιφανειακή συγκέντρωση των ειδών CHx, και (ii) τη θερμοκρασία διάσπασης των ειδών CHxO. Ως γενικό συμπέρασμα, ο ηλεκτροκαταλύτης Ni(1%at Au)/YSZ αναμένεται να έχει υψηλή αντοχή στην εναπόθεση άνθρακα όπως και εκλεκτικότητα για την μερική οξείδωση του CH4 προς αέριο σύνθεσης. / In order to investigate the possibility of the direct introduction of CH4 into a SOFC, the dissociative adsorption of CH4 and the nature of the various carbon adspecies on Ni-based cermets were studied in the present thesis by means of thermodynamic equilibrium measurements and temperature programming methods. The aim of this study was mainly to elucidate the effect of a second metal addition on Ni-YSZ, regarding the formation and/or inhibition of inactive carbon. The decoration of the Ni surface with very small quantity of Au (≤1at% with respect to Ni) affected significantly both the kinetics of CH4 dissociative adsorption and the binding strength of the adsorbed CHx species on the Ni surface. The formation of graphitic carbon was significantly inhibited, while the surface reactivity towards the hydrogenation of CHx species into CH4 was lower than on the unmodified Ni/YSZ surface. This resulted in the higher stability and elongation of the CHx species life time on the NiAu/YSZ surface prior to their decomposition into surface carbidic species. Based on the experimental results and discussion, a kinetic model is proposed for the description of the partial oxidation of methane towards the production of synthesis gas. The oxidation reactions involve both the oxidation of CHx species into CHxO and its subsequent decomposition at elevated temperatures (700 K) into CO and H2, while carbidic species are selectively oxidized into CO2 at temperatures as low as 500 K. In this respect, the selectivity towards synthesis gas depends on two factors: (i) the lifetime and surface concentration of CHx species, and (ii) the decomposition temperature of the CHxO species. As a conclusion, the Ni(1%at Au with respect to Ni)/YSZ catalyst is expected to be highly carbon tolerant and selective catalyst/electrode for the CH4 partial oxidation reaction for the production of synthesis gas.

Η τεχνολογία κυψελίδων καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη είναι αρκετά ελκυστική για την συμπαραγωγή αερίου σύνθεσης και ηλεκτρικής ενέργειας. Το κυριότερο μειονέκτημα είναι η εναπόθεση άνθρακα στο ανοδικό ηλεκτρόδιο λόγω της διασπαστικής ρόφησης του CH4. Σε μια θεωρητική μελέτη, οι Besenbacher et al συμπέραναν ότι η παρουσία μικρής ποσότητας Αu σε υποστηριγμένο καταλύτη Ni οδηγεί σε σημαντική μείωση την εναπόθεση άνθρακα. Σε αντίστοιχα συμπεράσματα κατέληξαν και οι Τριανταφυλλόπουλος και Νεοφυτίδης μελετώντας τα είδη του άνθρακα που δημιουργούνται πάνω στο Ni(1%at Au)-YSZ κατά την διασπαστική ρόφηση του μεθανίου. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η ηλεκτροχημική δραστικότητα διμεταλλικών ηλεκτροδίων Ni(Au1%at)-YSZ και Ni(Ag1%at)-YSZ για την μερική οξείδωση του μεθανίου καθώς και για την εσωτερική αναμόρφωση του μεθανίου με ατμό σε κυψελίδες καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη. Τα ηλεκτρόδια παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της επιτόπου πυρανάφλεξης (in situ combustion synthesis, μέθοδος σχετικά χαμηλής θερμοκρασίας που δημιουργεί νανοδομημένα ηλεκτρόδια) και μελετήθηκαν ως προς την ηλεκτροκαταλυτική συμπεριφορά τους για την εσωτερική αναμόρφωση του μεθανίου με ατμό. Τα πειράματα θερμοσταθμικής ανάλυσης, τα κινητικά πειράματα καθώς και οι ηλεκτροχημικές μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν, συντέλεσαν το καθένα με το τρόπο του, στην εξαγωγή του γενικότερου συμπεράσματος ότι τα διμεταλλικά ηλεκτρόδια Ni(Au1%at)-YSZ και Ni(Ag1%at)-YSZ είναι πολύ πιο σταθερά και ανθεκτικά στην εναπόθεση άνθρακα από το ‘συμβατικό’ ηλεκτρόδιο Ni-YSZ υπό τις συνθήκες της εσωτερικής αναμόρφωσης μεθανίου με ατμό που μελετήθηκαν. Τα ανοδικά αυτά ηλεκτρόδια επομένως φαίνεται να αποτελούν ενδιαφέρουσες επιλογές για χρήση στις κυψελίδες καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη που λειτουργούν με μεθάνιο ακόμη και σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες (μέχρι και 1173K) για τα NiAu-YSZ, ή σε χαμηλότερες (έως 973-1023K) για τα NiAg-YSZ. / The technology of solid oxide fuel cells seems quite attractive for the cogeneration of synthesis gas and electrical energy. A major bottleneck that has delayed the widespread use of this technology has always been the anode’s contamination with carbon due to the dissociative adsorption of methane. In a theoretical study, Besenbacher et al concluded that small quantities of Au on a supported Ni catalyst can minimize carbon deposition. Triantafyllopoulos and Neophytides reached similar results while studying the carbon adspecies that are formed on a Ni(1%at Au)-YSZ electrocatalyst during the dissociative adsorption of methane. The present study focused on the electrochemical activity of Ni(Au1%at)-YSZ and Ni(Ag1%at)-YSZ bimetallic electrodes under internal steam reforming conditions of methane in solid oxide fuel cells. The bimetallic electrodes were prepared by the combustion synthesis method, which is a relatively low temperature procedure that produces nanostructured electrodes, and their electrochemical behavior was investigated under internal steam reforming conditions. The thermogravimetric analysis, the electrochemical experiments as well as the kinetic measurements that were conducted, each one of them helped in reaching the general conclusion that the Ni(Au1%at)-YSZ and Ni(Ag1%at)-YSZ bimetallic electrodes are much more stable and carbon tolerant than the conventional Ni-YSZ electrode, at least under the steam reforming conditions of methane that they were studied. So these anodic electrodes seem to be interesting candidates for use in solid oxide fuel cells that operate with methane feed even at high temperatures (such as 1173K) for the NiAu-YSZ anodes, or at lower temperatures (up to 973-1023K) for the NiAg-YSZ anodes.

Το Η2 είναι το ελαφρύτερο και πλέον άφθονο στοιχείο στη φύση. Βρίσκεται παντού στη γη, στο νερό, στα ορυκτά καύσιμα και σε όλα τα έμβια όντα. Αν το Η2 αξιοποιηθεί κατάλληλα και χρησιμοποιηθεί για τροφοδοσία των κελιών καυσίμου, θα ελαχιστοποιηθεί η εξάρτηση του σύγχρονου πολιτισμού από τα ορυκτά καύσιμα, με συνεπακόλουθο τη μείωση των εκπομπών βλαβερών αερίων στην ατμόσφαιρα. Η χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας των κελιών καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολύτη (PEMFCs) προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα και σε συνδυασμό με την υψηλή πυκνότητα ισχύος που αποδίδουν, τα καθιστά κύριους υποψήφιους για εφαρμογή στην αυτοκίνηση. Ωστόσο, η χαμηλή θερμοκρασία εγείρει και σημαντικά προβλήματα, όπως η χρήση ευγενών μετάλλων για την επιτάχυνση των αντιδράσεων και η ευαισθησία σε φαινόμενα δηλητηρίασης. Το κυριότερο δηλητήριο είναι το CO, βασικό παραπροϊόν των διεργασιών παραγωγής H2 από τους υδρογονάνθρακες, οι οποίοι προς το παρόν αποτελούν την κύρια πηγή του. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάστηκαν τα φαινόμενα δηλητηρίασης από το CO της ανόδου του PEMFC. Καθώς το CO δεσμεύεται ισχυρότερα στην επιφάνεια του Pt από το καύσιμο Η2, η παρουσία του στην τροφοδοσία ακόμα και σε ίχνη απενεργοποιεί δραματικά τη λειτουργία της ανόδου. Έτσι, μελετήθηκαν διμεταλλικά και τριμεταλλικά καταλυτικά συστήματα, βασισμένα στο Pt, για την πιθανή αντιμετώπιση του προβλήματος, διαμέσου εξασθένισης του δεσμού Pt-CO ή ενίσχυσης της ηλεκτροχημικής οξείδωσής του από το Η2Ο, που είναι άφθονο στο περιβάλλον ενός PEMFC. Στο κεφάλαιο 1 περιγράφονται οι βιβλιογραφικές πληροφορίες για την τεχνολογία του Η2, όπως μέθοδοι παραγωγής του, καθαρισμού του και αποθήκευσης/μεταφοράς του. Στο κεφάλαιο 2 αναφέρονται οι βασικές αρχές λειτουργίας των κελιών καυσίμου, όσον αφορά στη θερμοδυναμική και στην κινητική, στα είδη τους και στις πιθανές εφαρμογές τους. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται εκτενής περιγραφή των δομικών στοιχείων που απαρτίζουν ένα PEMFC, και βιβλιογραφική ανασκόπηση των καταλυτικών συστημάτων που έχουν μελετηθεί για τις βασικές αντιδράσεις. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφονται συνοπτικά οι μέθοδοι χαρακτηρισμού και ανάλυσης καθώς και οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν. Στο κεφάλαιο 5 εξετάστηκε η επίδραση του υποστρώματος TiO2 στα χαρακτηριστικά του Pt, όσον αφορά την αλληλεπίδρασή του με το CO, σε διάταξη μονής κυψέλης καυσίμου. Παρουσιάστηκε αυξημένη ενεργότητα για την ηλεκτροοοξείδωση του CO και ασθενέστερη αλληλεπίδρασή του με την επιφάνεια του Pt, συντελώντας σε ενεργοποιημένη ρόφηση. Στο κεφάλαιο 6 με φασματοσκοπία υπερύθρου μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά της ρόφησης/εκρόφησης του CO σε μια σειρά καταλυτών Pt-Mo σε υπόστρωμα TiO2. Παρουσία των οξειδίων του Mo η θερμοκρασία εκρόφησης του CO ήταν σημαντικά μειωμένη σε σχέση με μονομεταλλικό Pt, υποδεικνύοντας ασθενέστερο δεσμό του CO με την καταλυτική επιφάνεια. Ωστόσο, παρουσία H2 ο δεσμός ισχυροποιείται, με αποτέλεσμα η εκρόφηση να πραγματοποιείται σε υψηλότερη θερμοκρασία. Αυτό εξηγήθηκε με βάση την ανταγωνιστική αντίδραση του H2 με τις οξειδικές ομάδες, τόσο του υποστρώματος TiO2, όσο και των οξειδίων του Mo. Στο κεφάλαιο 7 εξετάστηκε η οξείδωση του CO σε καταλύτη Pt4Mo/C, δεδομένου του αποσταθεροποιητικού ρόλου του Mo στα χαρακτηριστικά της αλληλεπίδρασης με το CO. Έτσι, αναγνωρίστηκε η ικανότητα των οξειδίων του Mo να διασπούν το Η2Ο σε δυναμικά που συμπίπτουν με τη λειτουργία της ανόδου ενός PEMFC, ενώ παρουσίασαν ενεργότητα για την οξείδωση του CO σε συνθήκες ανοιχτού κυκλώματος διαμέσου της αντίδρασης μετατόπισης με ατμό σε χαμηλή θερμοκρασία μέχρι και 60οC. Ωστόσο, η παραπάνω ιδιότητες δεν ήταν κατανεμημένες ομοιόμορφα στην καταλυτική επιφάνεια, παρά μόνο στη διεπιφάνεια Pt/MoOx, ενώ οι θέσεις μονομεταλλικού Pt παρουσίασαν έντονα φαινόμενα δηλητηρίασης. Επιπλέον, το Mo παρουσιάστηκε ευαίσθητο σε φαινόμενα διάλυσης στο όξινο υδατικό περιβάλλον του PEMFC για δυναμικά μεγαλύτερα από 0.2 V. Στο κεφάλαιο 8 μελετήθηκε η αλληλεπίδραση του CO με τριμεταλλικό καταλύτη Pt-Ru-Co σε σύγκριση με εμπορικό PtRu/C. Ο τριμεταλλικός καταλύτης παρουσιάστηκε ενεργότερος, με χαμηλότερη φαινόμενη ενέργεια ενεργοποίησης για την οξείδωση ροφημένου CO, εμφανίζοντας ισχυρότερη εξάρτηση από το εφαρμοζόμενο δυναμικό. / Hydrogen is the lighter and more abundant element in nature. It is everywhere in earth, water, fossil fuels and in all the living creatures. If H2 can be properly extracted and utilized as a fuel in fuel cells, the dependence of the global economy on fossil fuels will be minimized, resulting in significant attenuation of the greenhouse gases emissions in the atmosphere. The low operation temperature of the polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) offers a lot of advantages. In combination with the high power density yielded by the PEMFCs renders them as the main candidates for application in automotive industry. However, the low temperature raises significant problems, such as the use of noble metals for the acceleration of the basic reactions and the susceptibility in poisoning phenomena. The basic poison is carbon monoxide (CO), one of the main side-products of H2 production from fossil fuels, which for the moment is the main source of H2. In this thesis, the poisoning phenomena of the PEMFCs anode electrocatalysts from CO were investigated. Since CO is bounded on the surface of Pt stronger than the H2 fuel, its presence in the fuel feed in ppm levels deactivates the anode electrocatalyst. In order to eliminate this problem, bimetallic and ternary catalytic systems, based on Pt, were studied with the aim to reduce the Pt-CO bond strength or to promote the electrocatalytic oxidation of CO by water, which is abundant in the PEMFC environment. In chapter 1 is reported the literature information about H2 technology, such as H2 production and cleaning methods and the transport and storage infrastructure. In chapter 2, the basic thermodynamic and kinetic rules of fuel cells operation are referred together with the types of fuel cells and the possible applications. In chapter 3 the structural characteristics of the PEMFCs are outlined and the basic catalytic systems that have been studied for the fuel cell reactions are reviewed. The catalysts’ characterization methods, as well as the experimental procedures utilized in this thesis, are briefly described in chapter 4. In chapter 5 the effect of TiO2 support on the CO chemisorption’s and oxidative properties of Pt was investigated in a single PEMFC configuration. The activity of the CO electrooxidation reaction was enhanced and the Pt-CO bond was destabilized comparing to a commercial Pt/C catalyst. In chapter 6 the CO adsorption/desorption properties were studied by Infrared Spectroscopy, on a series of Pt-Mo catalysts supported on anatase TiO2. The presence of Mo oxides on the catalyst surface reduces significantly the CO desorption temperature in comparison to monometallic TiO2 supported Pt, suggesting the weak CO bonding on the catalytic surface. However, in the presence of H2, the Pt-CO bond strengthens, resulting in higher CO desorption temperature for all the catalysts tested. This was explained on the basis of competitive reaction of H2 with the oxidic surface species, originating from the TiO2 support and the surface Mo oxides. The CO electrooxidation activity of a Pt4Mo/C catalyst is described in chapter 7, considering the destabilizing effect of Mo on the Pt-CO bond. The surface Mo oxide species were able to dissociate H2O at potential values that coincide with the potential window of the PEMFC anode operation. This catalyst oxidized CO under open circuit conditions through the water gas shift reaction and at temperature as low as 60oC. However, the catalytic activity was not homogeneously distributed on the entire catalyst surface, but it was located at the Pt/MoOx interface, with the monometallic Pt sites to be strongly susceptible to CO poisoning. Furthermore, Mo was sensitive to dissolution phenomena in the hydrous acidic environment of the PEMFC for potentials higher than 0.2 V vs. rhe. Finally, in chapter 8 is described the interaction of CO with a ternary Pt-Ru-Co catalyst surface, in comparison to a commercial PtRu/C catalyst. The ternary catalyst was more active for the adsorbed CO electrooxidation, with a lower apparent activation energy than the bimetallic commercial one. The ternary catalyst exhibited zero reaction order with respect to CO partial pressure, while the PtRu/C showed negative reaction order due to competitive adsorption of CO and oxidic species for the same catalytic sites. The kinetic rate constant of the CO electrooxidation reaction for the ternary catalyst showed stronger dependence on the applied potential.

Τα προηγμένα (δομικά ή λειτουργικά) κεραμικά θεωρούνται ως τα πλέον κατάλληλα υλικά για εφαρμογές όπου απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες. Διαθέτουν μία σειρά από πλεονεκτήματα όπως π.χ. αντοχή σε θερμικούς αιφνιδιασμούς, υψηλή σκληρότητα, αντοχή σε φθορά και διάβρωση και μεγάλο εύρος στις τιμές των ηλεκτρικών τους ιδιοτήτων. Από τεχνολογική άποψη ενδιαφέρον παρουσιάζει ο συνδυασμός τους με μεταλλικές φάσεις με στόχο την συνένωση υλικών ή την παρασκευή σύνθετων κεραμομεταλλικών υλικών. Κεραμικές ενώσεις οξειδίων μπορεί να χρησιμοποιηθούν στην τεχνολογία των κελιών καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη (SOFC) ως μονωτικά ή στεγανωτικά υλικά. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η αλληλεπίδραση τους στην διεπιφάνεια σε επαφή με άργυρο και κράματα με βάση τον άργυρο για χρήση ως εναλλακτικών, σε αντικατάσταση των υαλοκεραμικών, συγκολλητικών μεταξύ των στρώσεων των μεμονωμένων στοιβάδων των SOFC. Σημαντικό ρόλο στη μικροδομή και τις ιδιότητες των υλικών αυτών παίζουν τα φαινόμενα διαβροχής και η ισχύς του δεσμού που αναπτύσσεται στη διεπιφάνεια κεραμικού / μετάλλου, καθώς και οι επιφανειακές και διεπιφανειακές ενέργειες των υλικών ή των συστημάτων των υλικών που βρίσκονται σε επαφή. Για το λόγο αυτό η γνώση των επιφανειακών και διεπιφανειακών μεγεθών είναι απαραίτητη για την πρόβλεψη των ιδιοτήτων των συστημάτων σε επαφή. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της συνάφειας και των διεπιφανειακών ιδιοτήτων σε συστήματα κεραμικών οξειδίων σε επαφή με ρευστές μεταλλικές φάσεις και ιδιαίτερα σε συστήματα του κεραμικών οξειδίων σε επαφή με ρευστές μεταλλικές φάσεις αργύρου, με τελικό σκοπό την εφαρμογή των συστημάτων αυτών στην τεχνολογία των SOFC. Στο πρώτο μέρος της εργασίας, εξετάσθηκε η επίδραση του διαλυτοποιημένου οξυγόνου στην επιφανειακή ενέργεια του ρευστού άργυρου και του ρευστού χαλκού. Από τις εξισώσεις που εξήχθησαν είναι δυνατός ο προσδιορισμός της επιφανειακής ενέργειας τους για δεδομένη θερμοκρασία και μερική πίεση οξυγόνου. Υπολογίσθηκε η ελεύθερη ενέργεια προσρόφησης του οξυγόνου στην επιφάνεια του ρευστού χαλκού, μέχρι τον κορεσμό. Διατυπώθηκε επίσης μία σχέση για τον υπολογισμό της διαλυτότητας ενός οξειδίου στα ρευστά μέταλλα σε εξάρτηση με την θερμοκρασία και την μερική πίεση του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα του πειράματος. Στη συνέχεια, με χρήση ενός συνδυασμού βιβλιογραφικών και πειραματικών δεδομένων σχετικά με τις τιμές της επιφανειακής ενέργειας και τις γωνίας επαφής σε συστήματα κεραμικών οξειδίων σε επαφή με διάφορα ρευστά μέταλλα βελτιστοποιήθηκε μια εμπειρική σχέση η οποία, σε δεδομένη θερμοκρασία, συνδέει άμεσα την επιφανειακή ενέργεια των στερεών οξειδίων με την επιφανειακή ενέργεια των ρευστών μετάλλων και τη γωνία επαφής. Μέσω αυτής της σχέσης είναι δυνατή η εκτίμηση της επιφανειακής ενέργειας ενός στερεού οξειδίου ή της γωνίας επαφής σε μη διαβρέχοντα και μη αντιδρώντα συστήματα κεραμικών οξειδίων / ρευστών μετάλλων, με την προϋπόθεση ότι η μερική διαλυτοποίηση οξυγόνου του κεραμικού μέσα στο ρευστό μέταλλο δεν επηρεάζει τις διεπιφανειακές ιδιότητες του συστήματος. Η σχέση αυτή επαληθεύθηκε για διάφορα συστήματα κεραμικών οξειδίων / ρευστών μετάλλων και επιπλέον εφαρμόσθηκε για τον προσδιορισμό της επιφανειακής ενέργειας του πολυκρυσταλλικού οξειδίου Y2O3 μετά από πειράματα διαβροχής από ρευστό άργυρο, του πολυκρυσταλλικού οξειδίου 3YTZ (3mol% Yttria partial stabilized zirconia) και του μικτού πολυκρυσταλλικού οξειδίου 85wt% MgO + 15 wt% MgAl2O4, μετά από πειράματα διαβροχής με ρευστό άργυρο. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαβροχής κεραμικών οξειδίων από τήγμα αργύρου σε οξειδωτικές συνθήκες (αέρας) για να εξετασθεί η επίδραση του οξυγόνου στις διεπιφανειακές ιδιότητες του συστήματος, καθώς η τεχνολογία των SOFC απαιτεί οι διεργασίες αυτές να πραγματοποιούνται σε συνθήκες περιβάλλοντος. Διαπιστώθηκε ότι η παρουσία οξυγόνου βελτιώνει τη διαβρεξιμότητα στα συστήματα κεραμικών / μετάλλου αυξάνοντας την ισχύ του δεσμού στην διεπιφάνεια, όμως η γωνία θ παραμένει θ > 90◦ (κακή διαβροχή). Σημαντική ελάττωση της γωνίας επαφής επιτυγχάνεται με προσθήκη διεπιφανειακά ενεργών συστατικών στο τήγμα του συγκολλητικού μετάλλου αυξάνοντας σημαντικά το έργο συνάφειας και ως εκ τούτου την ισχύ του δεσμού στην διεπιφάνεια κεραμικού/μετάλλου. Για τον ίδιο λόγο πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαβροχής κεραμικών οξειδίων από οξείδια με βάση το βόριο και το λίθιο, στον αέρα, με σκοπό να εξετασθεί η συνοχή μεταξύ των φάσεων σε επαφή. Τέλος εξετάσθηκε η διαβροχή του χάλυβα Crofer 22 APU, ο οποίος χρησιμοποιείται στην τεχνολογία των SOFC, από τις ίδιες ρευστές φάσεις, με στόχο να εξετασθεί η δυνατότητα χρήσης τους ως συγκολλητικές φάσεις σε κελιά καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη. / Advanced ceramics (structural or functional) are considered to be the most suitable for use in high temperature applications. They have a number of advantages, such as resistance to thermal shocks, high hardness, wear and corrosion resistance and a wide range in the values of their electrical properties. Special interest is being manifested in the compounds of ceramics with metals and metal alloys, in the field of materials joining and the production of composite materials. Ceramic compounds are used in the field of solid oxide fuel cells (SOFC) as insulators and sealing materials. Particular interest has been stimulated in the interaction in the interface of ceramics in contact with liquid silver and silver based alloys, as alternatives to the glass-ceramics sealing materials in SOFC stacks. In all of these cases the surface and interfacial energies of the materials or the materials systems used, as well as the wetting and bonding phenomena at the interface, play a key role in obtaining materials with the desired properties and microstructure. The aim of the present work is the study of adhesion and interfacial properties in ceramic oxide / liquid metal systems, particularly in systems of ceramic oxides in contact with liquid silver and silver-based alloys, with the ultimate aim of implementing such systems in the SOFC technology. In the first part of this work, the effect of the dissoluted oxygen on the surface energy of liquid copper and liquid silver was examined. The equations that were deriverd can be used to calculate their surface energy as a function of the temperature and the partial pressure of the oxygen. The free energy of the oxygen adsorption in the surface of the liquid copper was calculated, until saturation. Also, an equation that allows to calculate the solubility of an oxide in a liquid metal was deriverd, as a function of the temperature and the oxygen partial pressure. Moreover, from the combination of literature and experimental data of interfacial energies and contact angles in non-wetting and non-reactive ceramic oxide/liquid metal systems where the limited solubility of oxygen of the ceramic oxides into the liquid metalls has no effect on the interfacial properties, has led to an empirical relationship which correlates at a given temperature the surface energy of the oxides with the contact angle and the surface energy of the liquid metal. This relationship allows either the calculation of the surface energy of an oxide from known values of the surface energy of a liquid metal and the contact angle, or conversely, the estimation of the contact angle value, as well as the work of adhesion, for known surface energy of the oxide. The formulated empirical relationship has been applied to additional non-wetting and non-reactive systems of oxides in contact with liquid metals and the results showed good agreement with literature data. In addition, the empirical formula was used to calculate the surface energies of the polycrystalline oxides Y2O3 and 3YTZ (3mol% Yttria partial stabilized zirconia) as well as the 85wt% MgO + 15 wt% MgAl2O4 mixed oxide, after wetting experiments with liquid copper and/or liquid silver in an Ar- 4%H2 atmosphere. In the second part of this work, the effect of the oxygen on the the interfacial properties of the ceramics / liquid silver systems was examined by wetting experiments, in order to achieve conditions similar to the SOFC operating conditions. The results showed that the presence of the oxygen improves the wetability in the ceramic / liquid metal systems, increasing the bond in the interface but the angle remains θ > 90◦ (non wetting systems). The addition of interfacial active compounds in the liquid metal led to a significant decrease in the contact angle value, with the simultaneous increase in the work of adhesion, and so to the increase in the strength of the bond. For this purpose and in order to examine the adhesion between the two phases, wetting experiments with lithium and borium based oxides took place. Finally, the above liquid phases were used in wetting experiments on steel substrate (Crofer 22 APU) in order to investigate the potential usage of them as sealing and insulators in SOFC technology.

Το ενδιαφέρον για την ανάπτυξη νέων καθοδικών ηλεκτροδίων για χρήση τους σε κυψέλες καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη (SOFCs) ενδιάμεσων θερμοκρασιών (600-800oC) γίνεται ολοένα και μεγαλύτερο, δεδομένου ότι η απόδοση των συμβατικών καθόδων La1-xSrxMnO3-δ δεν είναι ικανοποιητική σε θερμοκρασίες χαμηλότερες των 800oC. Περοβσκιτικά υλικά με γενικό τύπο La1-x-ySrxCozFe1-zO3-δ αποτελούν υποσχόμενη εναλλακτική λύση, εξαιτίας της υψηλής ηλεκτρονικής και ιοντικής τους αγωγιμότητας. Η μικτή τους αυτή αγωγιμότητα έχει ως αποτέλεσμα τη διεύρυνση της ζώνης αντίδρασης και την ταχύτερη κινητική της αντίδρασης αναγωγής του οξυγόνου. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός με φασματοσκοπία σύνθετης αντίστασης, μετρήσεις πυκνότητας ρεύματος-υπέρτασης και κυκλική βολταμετρία, περοβσκιτικών καθοδικών ηλεκτροδίων La1-x-ySrxCo2Fe0.8O3-δ και La1-x-ySrxFeO3-δ σε επαφή με CGO/YSZ. Από την ανάλυση των πειραμάτων σύνθετης αντίστασης προέκυψε ως κύριο συμπέρασμα ότι ανάλογα με τη θερμοκρασία, τη μερική πίεση οξυγόνου και την πόλωση, τα χαρακτηριστικά σύνθετης αντίστασης του ηλεκτροδίου La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3-δ καθορίζονται από μέχρι τρεις διαφορετικές διεργασίες, οι οποίες αναγνωρίστηκαν ως αγωγή ιόντων οξυγόνου διά του ηλεκτροδίου, διαφασική μεταφορά φορτίου με συμμετοχή ατομικού οξυγόνου και διάχυση O2 στην αέρια φάση. Με ανάλυση μετρήσεων πυκνότητας ρεύματος ως προς την υπέρταση και το δυναμικό του ηλεκτροδίου, προσδιορίστηκαν επίσης, οι τιμές των ηλεκτροκινητικών παραμέτρων (πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής, συντελεστές μεταφοράς) που αφορούν στην ηλεκτροχημική αντίδραση αναγωγής του οξυγόνου και η αγωγιμότητα πόλωσης ως συνάρτηση του εφαρμοζόμενου δυναμικού για διάφορες θερμοκρασίες. Η τεχνική της κυκλικής βολταμετρίας εφαρμόστηκε για χαρακτηρισμό των παραπάνω περοβσκιτικών ηλεκτροδίων (x = 0.2; 0.4 και y = 0; 0.02), προκειμένου να αναγνωριστούν οι ηλεκτροχημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα υπό συνθήκες πόλωσης. Η εμφάνιση κορυφών ρεύματος στα κυκλοβολταμογραφήματα, σε μία ευρεία περιοχή θερμοκρασιών, μερικών πιέσεων οξυγόνου και ρυθμών σάρωσης του δυναμικού, συσχετίστηκε με ηλεκτροχημικές αντιδράσεις αναγωγής-οξείδωσης ιόντων σιδήρου ή/και κοβαλτίου αλλά και με οξείδωση-αναγωγή ειδών οξυγόνου. Τέλος, αξιολογήθηκε η καταλυτική ενεργότητα περοβσκιτικών οξειδίων με γενικό τύπο La1-x-ySrxCozFe1-zO3-δ για πλήρη οξείδωση CO και CH4. Ως κύριο συμπέρασμα προέκυψε ότι τα περοβσκιτικά οξείδια LSCF παρουσιάζουν υψηλότερη καταλυτική ενεργότητα σε σχέση με τα οξείδια LSF. / Recently, there has been a lot of focus on the development of new cathode materials for use in intermediate temperature (600–800°C) solid oxide fuel cells, since the conventional cathodes based on La1–xSrxMnO3–δ do not perform satisfactorily below 800°C. Iron- and cobalt-containing perovskites La1–x–ySrxCozFe1–zO3–δ have recently attracted significant attention as promising alternative cathode materials for IT-SOFCs, mainly due to their high mixed (electronic and ionic) conductivity, which results in enlargement of the available electrochemically active area, and their high oxygen surface exchange coefficients. In the present work electrochemical characterisation was carried out on porous La1–x–ySrxCo0.2Fe0.8O3–δ (LSCF) and La1–x–ySrxFeO3–δ (LSF) cathode electrodes deposited via screen-printing on the CGO layer of a CGO/YSZ electrolyte, using AC impedance spectroscopy, current density vs. electrode overpotential measurements, and cyclic voltammetry. From the analysis of the experimental results it was concluded that depending on temperature, oxygen partial pressure and polarization, the impedance characteristics of the La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3-δ electrode are determined by up to three different processes, which were identified as ionic conduction in the electrode bulk, interfacial charge transfer and gas phase diffusion, respectively. The values of the electrokinetic parameters of the electrochemical oxygen reduction as well as the polarization conductance, were determined as a function of the applied electrode potential at different temperatures, based on the analysis of current density vs. electrode overpotential measurements. Cyclic voltammetry technique was used in order to identify the electrochemical processes taking place under cathodic polarization on the basis of differences in the features of the cyclic voltammograms with changing conditions. Depending on the electrode, temperature, oxygen partial pressure and potential sweep rate, the appearance of current peaks was related to the electrochemical redox of B-sites and concomitant stoichiometry change as well as to the competing reaction of electrochemical oxygen redox, taking also into account the competitive action of chemical reactions which may occur in the presence of O2. Finally, the present work aimed to the assessment of the catalytic activity of these perovskite oxides for CO and CH4 combustion and it was found that LSCF perovskites were more catalytically active than LSF perovskites.