A Low-Operating-Temperature Solid Oxide Fuel Cell in Hydrocarbon-Air Mixtures

Hibino, Takashi; Hashimoto, Atsuko; Inoue, Takao; Tokuno, Jun-ichi; Yoshida, Shinichiro; Sano, Mitsuru

doi:10.1126/science.288.5473.2031

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“…density functional theory ͉ diffusion ͉ point defects ͉ solid oxide fuel cells ͉ CeO 2 M aterials providing high conductivity of oxygen ions are urged by a number of important technological applications, such as oxygen sensors and solid oxide fuel cells (1). The latter are expected to become high-efficiency electrical power generators that enable clean energy production and support sustainable development (2)(3)(4). A standard electrolyte for solid oxide fuel cell applications is yttria-stabilized zirconia (YSZ) (1,5).…”

mentioning

confidence: 99%

Optimization of ionic conductivity in doped ceria

Andersson

Simak

Skorodumova

et al. 2006

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.

491

392

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Oxides with the cubic fluorite structure, e.g., ceria (CeO2), are known to be good solid electrolytes when they are doped with cations of lower valence than the host cations. The high ionic conductivity of doped ceria makes it an attractive electrolyte for solid oxide fuel cells, whose prospects as an environmentally friendly power source are very promising. In these electrolytes, the current is carried by oxygen ions that are transported by oxygen vacancies, present to compensate for the lower charge of the dopant cations. Ionic conductivity in ceria is closely related to oxygen-vacancy formation and migration properties. A clear physical picture of the connection between the choice of a dopant and the improvement of ionic conductivity in ceria is still lacking. Here we present a quantum-mechanical first-principles study of the influence of different trivalent impurities on these properties. Our results reveal a remarkable correspondence between vacancy properties at the atomic level and the macroscopic ionic conductivity. The key parameters comprise migration barriers for bulk diffusion and vacancy-dopant interactions, represented by association (binding) energies of vacancy-dopant clusters. The interactions can be divided into repulsive elastic and attractive electronic parts. In the optimal electrolyte, these parts should balance. This finding offers a simple and clear way to narrow the search for superior dopants and combinations of dopants. The ideal dopant should have an effective atomic number between 61 (Pm) and 62 (Sm), and we elaborate that combinations of Nd͞Sm and Pr͞Gd show enhanced ionic conductivity, as compared with that for each element separately. density functional theory ͉ diffusion ͉ point defects ͉ solid oxide fuel cells ͉ CeO 2 M aterials providing high conductivity of oxygen ions are urged by a number of important technological applications, such as oxygen sensors and solid oxide fuel cells (1). The latter are expected to become high-efficiency electrical power generators that enable clean energy production and support sustainable development (2-4). A standard electrolyte for solid oxide fuel cell applications is yttria-stabilized zirconia (YSZ) (1, 5). To increase the ionic conductivity of YSZ to a technologically useful level, high operating temperatures (Ϸ1,000°C) are required. Lowering of the operating temperatures would considerably increase the applicability and competitiveness of solid oxide fuel cells. The ionic conductivity ( ) can be expressed as an exponential function of the activation energy for oxygen vacancy diffusion (E a ),where T stands for temperature, k B for the Boltzman constant, and 0 for a temperature-independent prefactor. Materials with lower E a will facilitate ionic conductivity at lower temperatures, and here rare-earth doped ceria is one of the main candidates (1, 4). The basic principle for the choice of a dopant, advocated by many researchers, is the ability of the dopant to minimize the internal strain of the lattice (6-8). Clear understanding of the phys...

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Optimization of ionic conductivity in doped ceria

Andersson

Simak

Skorodumova

et al. 2006

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.

491

392

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“…Por otro lado, el largo tiempo requerido para iniciar su operación y de enfriamiento, así como diversos problemas de compatibilidad química y mecánica de sus componentes, limita el uso de este tipo de celdas. Varios inv estigadores 38,42,43,44,50,51,52 han estudiado las posibles soluciones para reducir la temperatura de operación, lo cual pudiera ser la clave para que las celdas de combustible de óxido sólido, sean la nueva generación de dispositivos en la producción de energía eléctrica a gran escala. En este contexto, existen otros materiales alternativos al electrolito YSZ, tales como el GDC (cerio dopado con gadolinio) y el LSGM (galato de lantano dopado con estroncio y magnesio), los cuales se han convertido en los últimos años en serias alternativas, debido a que presentan unas conductividades iónicas similares a la del YSZ a temperaturas más bajas de aproximadamente 200°C.…”

Section: Celda De Combustible De Carbonatos Fundidos (Molten Carbonatunclassified

Estudio comparativo de las diferentes tecnologías de celdas de combustible

Alvarado-Flores¹

2013

Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr.

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INTRODUCCIÓNLas celdas de combustible son básicamente sistemas termodinámicos abiertos. Operan en base a reacciones electroquímicas presentes y a los reactivos consumidos de una fuente externa 1,2,3,4 . Son alternativas favorables a los métodos convencionales de generación de energía eléctrica, con aplicación a escala menor. El hidrógeno y los combustibles hidrocarburos, contienen una cantidad importante de energía química en comparación con los convencionales materiales de baterías; por lo tanto, actualmente se han desarrollado para numerosas aplicaciones energéticas.El hidrógeno y la tecnología de las celdas de combustible, son prometedores sustitutos de los combustibles fósiles para proveer de energía a las zonas rurales donde no hay acceso a la red pública o cuando el costo de cableado es enorme, así como la transferencia de electricidad. Además, las celdas de combustible se pueden emplear como fuente segura de energía eléctrica en sistemas de alimentación ininterrumpida (uninterruptible power supplies, UPS), estaciones de generación de energía y sistemas de distribución. La tabla 1, muestra una comparación general entre los sistemas de celdas de combustible y otros sistemas de generación de energía 5,6,7 .De acuerdo a la tabla 1, se puede observar que el rendimiento más alto, se obtiene en los sistemas de celdas de combustible, en comparación con los sistemas convencionales de distribución de energía. Tienen un diseño simple y también funcionamiento confiable. Además, con el uso del hidrogeno como reactivo, estos sistemas resultan amigables con el medio ambiente produciendo energía limpia y de forma silenciosa 8,9,10,11,12,13 . Actualmente, los sistemas de celdas de combustible se utilizan ampliamente en aplicaciones a pequeña y gran escala, por Las celdas de combustible generan electricidad y calor durante la reacción electroquímica que ocurre entre el oxígeno e hidrógeno para formar agua. La tecnología de la celda de combustible es un camino prometedor para proporcionar energía en áreas rurales, donde no hay acceso a la red eléctrica pública, o donde hay un costo enorme en el cableado y transferencia de electricidad. Además, las celdas de combustible, pueden emplearse como fuente de energía, para asegurar la energía eléctrica como por ejemplo, en fuentes de potencia ininterrumpida (uninterruptible power supplies, UPS), estaciones de generación de energía y sistemas de distribución. En este artículo, se hace un estudio comparativo sobre diseño básico, principios de funcionamiento, aplicaciones, ventajas y desventajas de las diversas tecnologías disponibles para celdas de combustible. Además, se comparan las características tecno-económicas de los vehículos que funcionan con celdas de combustible a partir de hidrógeno (Fuel Cell Vehicle, FVC) y vehículos con motor de combustión interna (Internal Combustion Engine Vehicle, ICEV). Los resultados indican que los sistemas de celdas de combustibles tienen un diseño simple, confiabilidad alta, funcionamiento silencioso, alta eficiencia y menor impacto ambiental. ...

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“…Oxide ion electrolytes based on rare-earth-doped CeO2 At present, rare earth Gd-or Sm-doped CeO 2 solid electrolytes are considered to be potential electrolytes for IT-SOFC applications because of their higher oxide ion conductivities compared to both Y-doped ZrO 2 (YSZ) and Sr-and Mg-doped LaGaO 3 (LSGM) in air [54][55][56] (Fig. 2) [13].…”

Section: Oxide Ion Conductors Based On Aurivillius Structurementioning

confidence: 99%

Recent progress in solid oxide and lithium ion conducting electrolytes research

Thangadurai

Weppner²

2006

Ionics

327

227

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Recent material developments of fast solid oxide and lithium ion conductors are reviewed. Special emphasis is placed on the correlation between the composition, structure, and electrical transport properties of perovskitetype, perovskite-related, and other inorganic crystalline materials in terms of the required functional properties for practical applications, such as fuel or hydrolysis cells and batteries. The discussed materials include Sr-and Mgdoped LaGaO 3 , Ba 2 In 2 O 5 , Bi 4 V 2 O 11 , RE-doped CeO 2 , (Li,La,)TiO 3 , Li 3 La 3 La 3 Nb 2 O 12 (M=Nb, Ta), and Na super-ionic conductor-type phosphate. Critical problems with regard to the development of practically useful devices are discussed.

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A Low-Operating-Temperature Solid Oxide Fuel Cell in Hydrocarbon-Air Mixtures

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Optimization of ionic conductivity in doped ceria

Optimization of ionic conductivity in doped ceria

Estudio comparativo de las diferentes tecnologías de celdas de combustible

Recent progress in solid oxide and lithium ion conducting electrolytes research

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