This thesis concerns the design, implementation and operation of a hydrogen energy storage facility that has been added to an existing renewable energy system at West Beacon Farm, Leicestershire, UK. The hydrogen system consists of an electrolyser, a pressurised gas store and fuel cells. At times of surplus electrical supply, the electrolyser converts electrical energy into chemical energy in the form of hydrogen. This hydrogen is stored until there is a shortage of electrical energy to power the loads on the system, at which point it is reconverted back to electricity by the process of reverse-electrolysis that takes place within a fuel cell. The renewable energy sources, supplying electrical power to domestic and office loads at the site, are photovoltaic, wind and micro-hydroelectric. This work is being carried out through a project, conceived and overseen by the author, known as the Hydrogen and Renewables Integration (HARI) project. The purpose of this study is to demonstrate and gain experience in the integration of hydrogen energy storage with renewable energy systems and, most importantly, to develop software models that could be used for the design of future systems of this type in a range of applications. Effective models have been created and verified against the real-world operation of the system. These models have been largely completed, although some minor details remain unfinished as the are dependant upon studies linked to this one which are yet to be concluded. Subject to some fine tuning that this would entail, then, the models can be used to design a stand-alone, integrated hydrogen and renewable energy system, where only the load profile and weather conditions of a site are known. Significant practical experience has been gained through the design, installation and two years' of operation of the system. Many important insights have been obtained in relation to the integration of the system and the design and operation of its components.

The use of H2 as an energy carrier has in recent years been identified as a promising future solution to the current energy crisis. Hydrogenases are metalloenzymes found in many microorganisms and are used to catalyse the reversible inter-conversion of protons and H2. These enzymes and their synthetic analogues have been recognised as a way to facilitate the use of H2 as a fuel. A major challenge to the future use of these catalysts is their reactions with small molecule inhibitors, such as oxygen and carbon monoxide. Detailed understanding of the structure and catalytic mechanism of these highly efficient catalysts is vital for the design of bio-inspired functional analogues for use in technological applications. In this thesis electrochemical studies of three [FeFe]-hydrogenases are presented, performed using the technique of protein film electrochemistry. The strong potential dependence of the reaction of these hydrogenases with carbon monoxide and formaldehyde is characterised and rationalised. These studies provide compelling evidence for the formation of a previously ambiguous super-reduced state of [FeFe]-hydrogenase at low potential. This state is shown to be active and stable, and it is proposed that this state is involved in catalytic H2 production. This super-reduced state is shown to have a high affinity for the reversible binding of formaldehyde, but a very low affinity for both carbon monoxide and oxygen. Activation of carbon monoxide inhibited [FeFe]-hydrogenase can be very rapidly induced by the application of a sufficiently reducing potential. These enzymes, considered to be oxygen sensitive, are shown to be extremely tolerant to irreversible oxygen damage at very reducing potentials where the super-reduced state is formed.

L'hydrogène est envisagé comme vecteur énergétique pour le futur. En effet, son utilisation par oxydation dans les piles à combustible ne produit que de la vapeur d'eau et permet la production d'électricité et de chaleur. L'oxydation partielle des hydrocarbures, réaction exothermique, peut être une alternative ou un complément au vaporeformage (endothermique) pour la génération d'hydrogène. L'intérêt du propane, par rapport au méthane, est qu'il se liquéfie à une pression relativement faible. L'objectif de ce travail est l'étude cinétique de l'oxydation partielle catalytique du propane. C'est une réaction complexe : son mécanisme comporte des réactions catalytiques de surface couplées à des réactions en phase gazeuse par l'intermédiaire de radicaux. La réaction a été étudiée dans un réacteur auto-agité catalytique. Dans un premier temps une étude expérimentale a été réalisée sans catalyseur. Un mécanisme homogène a pu ainsi être validé. Ensuite, cette même réaction a été étudiée en présence de pastilles d'oxyde de cérium. Un mécanisme hétérogène a été écrit en utilisant le formalisme d'Eley-Rideal et celui de Langmuir-Hinshelwood. Les données cinétiques ont été estimées selon une méthode originale basée sur la théorie de Benson. En comparant les résultats expérimentaux et ceux issus de la simulation (effectués avec Chemkin®/Chemkin Surface®), un mécanisme hétéro-homogène a été validé sur un large domaine de conditions opératoires / Hydrogen is proposed as an energy vector for the future. Indeed, its energetic use by oxidation in fuel cells produces water vapor only. The partial oxidation of hydrocarbons, an exothermic reaction, can be an alternative or a complement to the steam cracking (endothermic) for hydrogen generation. Propane can be an interesting hydrocarbon for hydrogen production since it can be easily stored in liquid phase and distributed. The aim of this work is the kinetic study of the catalytic partial oxidation of propane. The reaction is complex: catalytic reactions are coupled to reactions in gas phase by the intermediary of radicals. The reaction was studied in a catalytic jet stirred reactor. At first, an experimental study was carried out without a catalyst. A homogeneous mechanism could be validated. Afterwards, this same reaction has been studied in presence of cerium oxide pellets. A heterogeneous mechanism was written using the formalism of Eley-Rideal and that of Langmuir-Hinshelwood. The kinetics parameters are estimated by methods derivated from Benson's techniques. Comparing experimental results and those from the simulation (carried out by Chemkin®/Chemkin Surface®), a hetero-homogeneous mechanism was validated in our experimental conditions

Στην παρούσα εργασία, η αποθήκευση υδρογόνου σε νανοσωλήνες άνθρακα εξετάστηκε με τη βοήθεια δύο πειραματικών τεχνικών: ρόφηση υδρογόνου και θερμοπρογραμματιζόμενη εκρόφηση υδρογόνου. Τα δείγματα που εξετάστηκαν για αποθήκευση υδρογόνου περιελάμβαναν MWCNTs, thinMWCNTs και SWCNTs. Τα πειράματα ρόφησης υδρογόνου πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία 298 Κ και σε εύρος πίεσης 0-1000 Torr και τα αποτελέσματα που προέκυψαν είναι, 0.12-0.17 wt.%, 0.22 wt.% καιι 0.30-0.36 wt.% αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τους υπολογισμούς της ενέργειας ενεργοποίησης εκρόφησης (~20 kJ/mol) των TPD πειραμάτων οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι η αποθηκευτική ικανότητα Η2 των CNTs δεν είναι αποτέλεσμα μόνο φυσικής ρόφησης, αλλά και φαινόμενα χημικής ρόφησης λαμβάνουν χώρα και ότι η διαθέσιμη προς ρόφηση Η2 επιφάνεια των CNTs είναι ομοιόμορφη, αφού η ποσότητα Η2 που ροφήθηκε στους CNTs στους 298 Κ, εκροφήθηκε από αυτούς στην ίδια θερμοκρασία. Η ενίσχυση της ικανότητας ρόφησης Η2 ενός υλικού, λαμβάνει χώρα μέσω του φαινομένου spillover. Pt εναποτέθηκε στους CNTs μέσω υγρού εμποτισμού ή μέσω ανάμιξης στη συσκευή υπερήχων του αιωρήματος των CNTs στο διάλυμα της πρόδρομης ένωσης. Στους CNTs που εξετάστηκαν, η παρουσία Pt στην επιφάνεια τους, σχεδόν διπλασίασε την αποθηκευτική τους ικανότητα σε Η2. Οι εμπλουτισμένοι με αλκάλια CNTs εμφανίζουν μεγαλύτερα ποσοστά αποθήκευσης Η2 από τους μη εμπλουτισμένους. Η συμπεριφορά αυτή έχει αποδοθεί στη δημιουργία δίπολου πάνω στο μόριο του Η2, λόγω της ύπαρξης σημειακών φορτίων στα αλκάλια. Το μέγιστο ποσοστό αποθήκευσης που επιτεύχθηκε στην παρούσα εργασία είναι το 0.7 wt.%, στους 298 Κ, για το υλικό 0.5% Pt/ Li(5%)-SWCNTs-85%. Στα κελιά καυσίμου ΡΕΜ, το μεγάλο κόστος λόγω της παρουσίας του καταλύτη Pt στα ηλεκτρόδια τους, αποτελεί τον κυριότερο περιορισμό για την εμπορευματοποίηση τους. Ως εκ τούτου, στόχος είναι η αποδοτικότερη χρήση του καταλύτη Pt με ταυτόχρονη μείωση της ποσότητας του. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν, μέσω ηλεκτροχημικών πειραμάτων, οι καταλύτες Pt/SWCNTs, Pt/MWCNTs και Pt/Vulcan-XC72. Η εναπόθεση της Pt έλαβε χώρα με τις προαναφερθείσες μεθόδους, και τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι τόσο η μέθοδος εναπόθεσης Pt, όσο και το είδος των CNTs, επηρεάζουν τα ηλεκτροχημικά χαρακτηριστικά των ηλεκτροδίων. Μέγιστη παραγόμενη ισχύς της τάξης των 0.21 W/cm2, επιτεύχθηκε με τους καταλύτες Pt/SWCNTs με χρήση τους ως ηλεκτρόδιων ανόδου. / In this study, hydrogen storage on carbon nanotubes was studied via two main methods: hydrogen adsorption and temperature programmed desorption. CNTs (multi-walled, thin multi-walled and single walled) of variable purity were tested for their hydrogen adsorption capacity at 298 in the pressure range of 0 to 1000 Torr. Maximum adsorption capacity per unit mass of the solid was observed over SWCNTs (0.30-0.36 wt.%), followed by thinMWCNTs (0.22 wt.%) and MWCNTs (0.12-0.17 wt.%). Temperature programmed desorption revealed that the adsorption sites on the CNTs surface are relatively uniform, due to the fact that the quantity of hydrogen desorbed is very close to the quantity of hydrogen adsorbed. The calculated values of desorption activation energy (~20 kJ/mol) revealed that adsorption on CNTs is not purely physical in nature but it also involves weak chemisorption bonds. One potential way to enhance hydrogen storage on carbon nanotubes is spillover effect. Pt was deposited on CNTs via wet impregnation (method A) or mixture of the suspension of carbon nanotubes in the solution of the precursor under sonication (method B). Both, hydrogen adsorption experiments at 298 K and temperature programmed desorption measurements revealed that hydrogen storage capacity observed over CNTs was almost double. Experimental and theoretical researches have shown that alkali doped CNTs presented higher values of hydrogen storage capacity, compared to non alkali doped CNTs. This behavior has been attributed to the creation of bipolar forces in the hydrogen molecule, due to the charge transfer in alkalis. The highest storage capacity presented in this work was 0.7 wt.%, for Li doped CNTs when Pt was deposited on them via method B. The use of CNTs as platinum support for proton exchange membrane fuel cells has been investigated as a way to reduce the cost of fuel cells through an increased utilization of platinum. This work presents results with Pt catalysts supported on CNTs and also on commonly used carbon powder, Vulcan XC-72, prepared via methods mentioned above. The results indicate electrochemical characteristics which depend strongly on the nature of the support and the Pt deposition method. Power density of 0.21 W/cm2 at 80 0C was achieved with Pt/SWCNTs fed with H2 and the activity of the anodes followed the sequence: Pt/SWCNTs > Pt/MWCNTs > Pt/Vulcan XC-72.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη ενός αποτελεσματικού καταλυτικού συστήματος με βάση το χαλκό, για την αναμόρφωση της μεθανόλης. Για το σκοπό αυτό εξετάστηκαν οι καταλυτικές ιδιότητες τριών συστημάτων βασιζόμενων σε καταλύτες χαλκού και παρασκευασμένων με τη μη συμβατική μέθοδο της καύσης: CuO-CeO2, τροποποιημένων καταλυτών CuO-CeO2 και Cu-Mn-O για την προαναφερθείσα διεργασία, καθώς και τα βέλτιστα δείγματα των καταλυτών CuO-CeO2 και Cu-Mn-O υποστηριγμένων σε μεταλλικούς αφρούς Al. Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των καταλυτών CuO-CeO2, βρέθηκαν να εξαρτώνται από τις παραμέτρους σύνθεσης. Ο βέλτιστος καταλύτης παρασκευάστηκε με λόγο Cu/(Cu+Ce)= 0.15. Στους τροποποιημένους καταλύτες CuO-CeO2, ένα μέρος του τροποποιητή εισχωρεί στο πλέγμα της δημήτριας, οδηγώντας στο σχηματισμό στερεού διαλύματος. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα να επηρεαστούν τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των δειγμάτων, αλλά και η καταλυτική συμπεριφορά τους. Οι σπινελικοί καταλύτες Cu-Mn-O είναι πολύ ενεργοί παρά τη μικρή ειδική επιφάνειά τους. Η ενεργότητά τους είναι συγκρίσιμη με αυτή των εμπορικών καταλυτών Cu-Zn-Al. Ο βέλτιστος καταλύτης ήταν αυτός με λόγο Cu/(Cu+Mn)= 0.30. Εξίσου αποδοτικοί για την παραγωγή υδρογόνου μέσω αναμόρφωσης της μεθανόλης, μονολιθικοί καταλύτες Cu-Ce/Al foam και Cu-Mn/Al foam παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της καύσης. Με βάση τα ευρήματα της ισοτοπικής μελέτης, προτείνεται για τον καταλύτη Cu-Mn-O ότι η αναμόρφωση πραγματοποιείται αποκλειστικά μέσω μηχανισμού που περιλαμβάνει τον ενδιάμεσο σχηματισμό μυρμηκικού μεθυλεστέρα. Για τους καταλύτες Cu-Ce-O και Cu-Zn-Al πραγματοποιείται ταυτόχρονα και μηχανισμός που περιλαμβάνει ως ενδιάμεσο είδος το διοξομεθυλένιο. / The scope of the present thesis was the development of an effective catalytic copper-based system for methanol reforming. The catalytic properties of three different copper-based systems prepared via the non conventional combustion method, were investigated for the aforementioned process: CuO-CeO2, modified CuO-CeO2 and Cu-Mn-O, as well as the optimal CuO-CeO2 and Cu-Mn-O oxide cata¬lysts supported on Al metal foam. The physicochemical characteristics of CuO-CeO2 catalysts were found to be influenced by the parameters of the synthesis. The optimal catalyst was prepared with Cu/(Cu+Ce) ratio equal to 0.15. In the case of modified CuO-CeO2 catalysts, at least part of dopant cations gets incorporated into the CeO2 lattice leading to solid solution formation. As a result, the physicochemical characteris¬tics of the samples were influenced, as well as their catalytic performance. Cu-Mn spinel oxide catalysts were found to be highly active despite their low surface area. Their activity is comparable to that of commercial Cu-Zn-Al catalysts. The optimal catalyst was prepared with a Cu/(Cu+Mn) ratio equal to 0.30. Structured Cu-Ce/Al foam and Cu-Mn/Al foam catalysts prepared via in situ combustion method were equally effective for hydrogen production via methanol reforming. Based on the findings of an isotopic study, a mechanism has been proposed for the reforming reaction over Cu-Mn-O, where methyl formate is formed as a reaction intermediate. An additional reaction mechanism is taking place over Cu-Ce-O and commercial Cu/ZnO/Al2O3 catalysts, resulting in the intermediate dioxomethylene.

La pile à combustible (FC) est peu adaptée aux variations brusques de puissance rencontrées dans les applications transport. L’hybridation de la pile à un supercondensateur (SC) a alors été étudiée, puisque cet organe de stockage capacitif permet de gérer les transitoires de puissance. L’hybridation est directe/passive, permettant ainsi de réduire le volume, la masse et le coût du système. Initialement, la faisabilité et l’impact de la taille du SC sur la performance de la FC en mono-cellule ont été examinés numériquement. Cette modélisation montre que l’augmentation de la taille du SC renforce l’effet de lissage induit par l’utilisation du SC sur le courant de la FC. Il en résulte des variations lentes et une réduction des amplitudes de courant et de tension, une diminution du courant efficace de la FC, et donc des pertes électriques de celle-ci. L’hybridation de la FC, comparativement à son fonctionnement seule, permet en outre de réduire la surconsommation en H2 de près de 50 % dans les mêmes conditions opératoires. Ces résultats ont été validés par des essais expérimentaux réalisés en mono-cellule et 3-cellules de 100 cm2 hybridée ou non. Par la suite, toujours en utilisant le protocole de cyclage urbain (FC-DLC), la durabilité de la FC a été étudiée lors d’essais de longue durée. La durabilité de la FC, qu’elle soit hybridée ou non, est la même. L’hybridation n’améliore donc pas la durée de vie de la FC mais ne lui nuit pas non plus. Par la suite, afin d’encore réduire la surconsommation en H2 en longue durée cyclage, différentes stratégies ont été étudiées : diminution du débit minimum des gaz imposé par le cyclage et diminution du coefficient de surstœchiométrie en H2. Ces changements n’ont pas d’influence sur la durabilité de la pile hybridée et ont permis de réduire à 10 % la surconsommation en hydrogène. La FC non hybridée, quant à elle, a vu sa durabilité divisée par deux lors de la diminution des débits minimum et ne fonctionnait pas avec le coefficient de surstœchiométrie ramené à 1,1. Ensuite, les travaux ont été étendus à un stack FC de forte puissance (Système Ballard de 1,2 kW) hybridé à deux modules de SC de 165 F (Maxwell Technologies). En final, un système hybride de 34 kW (FC de 10 kW et SC de 566.67 F) a montré des performances suffisantes pour une application transport urbain et péri-urbain. De plus, comparativement à une pile de 34 kW 21 % d’hydrogène sont économisés et l'investissement des équipements peut être réduit de près 50 % / The fuel cell (FC) is poorly adapted to the sudden variations in power encountered in transport applications. The FC hybridization to a supercapacitor (SC) was then studied, since this capacitive storage device allows to manage the power transients. Hybridization is direct/passive, thus reducing the volume, mass and cost of the system. Initially, the feasibility and the impact of SC size on FC performance have been examined numerically. Theoretical investigations show that increasing the size of SC enhances the smoothing effect introduced by the supercapacitor on FC current. This results into slow variations and reduction in both current and voltage amplitudes, a decrease in the fuel cell’s effective current, and therefore in FC electrical losses. Hybridization, compared to its FC operation alone, still reduces hydrogen overconsumption by nearly 50 % under the same operating conditions. These results have been validated by experimental tests carried out on a 100 cm2 single FC and a 3 cell stack. Later, the durability of the FC system has been investigated through long term tests. These durability tests have been conducted on the 100 cm2 single FC test bench using urban cycling protocol (FC-DLC), for both hybridized and unhybridized FC system, with continuous evaluation of degradation extent and causes. These tests suggest no detrimental impact on durability of the FC. For these two operating modes, a progressive aging of the gas diffusion layer seems to appear. Subsequently, in order to further reduce the overconsumption of hydrogen in long-term FC-DLC cycling, different strategies were studied: reducing the minimum gas flow rate imposed by FC-DLC cycling from 0.2 to 0.05 A cm-2, and reducing the hydrogen overstoichiometry coefficient from 1.2 to 1.1. These changes have no influence on the durability of the hybrid cell and have reduced hydrogen overconsumption to 10 %. On the contrary, in case of the unhybridized FC, durability was halved as minimum flows were reduced and it did not work when the overstoichiometry reduced coefficient. Further, work has been extended to high power FC systems (1.2 kW FC system, hybridized with two modules of 165 F, SC module). Finally, the FC downsizing has been demonstrated from 34kW FC system to hybrid source system of 10kW FC hybridized with 566.64 F SC, presenting 21 % hydrogen saving and nearly 50 % net cost savings.

Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός και η μελέτη φωτοευαίσθητων ηλεκτροκαταλυτών TiO2 και η μορφοποίηση τους σε ηλεκτρόδια, τα οποία και μελετήθηκαν ως προς την φωτοηλεκτροχημική παραγωγή υδρογόνου από νερό ή/και οργανικές ενώσεις. Τα ηλεκτρόδια λεπτών υμενίων παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο εμβάπτισης – επίστρωσης σε διάλυμα TiO2. Τα ηλεκτρόδια Τιτάνιας ήταν νανοπορώδη και παρουσίαζαν νανοκρυσταλλική δομή ανατάση με μέγεθος σωματιδίων 15 nm. Η μελέτη των ηλεκτροδίων πραγματοποιήθηκε σε φωτοηλεκτροχημικό αντιδραστήρα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η φωτοβόληση των ηλεκτροδίων τιτάνιας τα ενεργοποιεί, διεγείροντας ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας και δημιουργώντας οπές στη ζώνη σθένους. Για την παραγωγή υδρογόνου ήταν απαραίτητη η επιβολή δυναμικού ή η παρουσία οργανικών ενώσεων στον ηλεκτρολύτη. Ο ρυθμός παραγωγής υδρογόνου βελτιστοποιήθηκε συναρτήσει του πάχους του υμενίου και της συγκέντρωσης των οργανικών ενώσεων στον ηλεκτρολύτη. Συμπερασματικά έχει τεράστιο δυναμικό για εφαρμογή σε φωτοηλεκτροχημικά κελιά καυσίμου για ταυτόχρονο καθαρισμό υδάτων από οργανικούς ρύπους και παραγωγή ενός «καθαρού» καυσίμου, του υδρογόνου. / The object of this thesis is the composition, characterization and the study of photosensitive TiO2 electrocatalysts and their formation in electrodes, which were studied for the photoelectrochemical production of hydrogen from water and/or organic compounds. The thin film electrodes were prepared with the dip - coating method in TiO2 solution. The titania electrodes were nanoporous and nanocrystaline, of anatase phase with particle size 15 nm. The study of electrodes took place in a photoelectrochemical reactor. The results showed that the illumination of the titania electrode activates it, arousing electrons in the conduction band and creating holes in the valence band. For the production of hydrogen, it was necessary to apply potential, or the presence of organic compounds in the electrolyte. The production rate of hydrogen was optimised with respect to the thickness of the film and the concentration of organic compounds in the electrolyte. In conclusion, this method has enormous potential for application in photoelectrochemical fuel cells for simultaneous cleaning of water from organic pollutants and production of “clean” fuel, hydrogen.