SOFCs for Direct Oxidation of Hydrocarbon Fuels with Samaria-Doped Ceria Electrolyte

Lu, C.; Worrell, W. L.; Gorte, Raymond J.; Vohs, John M.

doi:10.1149/1.1553765

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“…A reduction of the OCV from 0.87 V at 100% H 2 to 0.86 V at 30% H 2 is also noted. These results are consistent with other literature reports dedicated to cells based on SDC electrolytes with similar thickness (Table IV): Lu et al 35,36 find an OCV of 0.85 V when operating an infiltrated Cu-CeO 2 -SDC/SDC/LSCF cell with humidified H 2 at 700…”

Section: Polarization and Eis Experiments-experiments At 700supporting

confidence: 93%

A Distributed Charge Transfer Model for IT-SOFCs Based on Ceria Electrolytes

Rahmanipour

Pappacena

Boaro

et al. 2017

J. Electrochem. Soc.

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A distributed charge transfer model for IT-SOFCs with MIEC electrolyte and composite electrodes is developed. A physically-based description of the electronic leakage current in the electrolyte is included, together with mass and charge conservation equations. The model is applied to simulate experimental polarization curves and impedance spectra collected on IT-SOFCs consisting of SDC electrolytes, Cu-Pd-CZ80 infiltrated anodes and LSCF/GDC composite cathodes. Hydrogen electro-oxidation experiments are examined (H 2 /N 2 humidified mixtures, 700 • C, 30-100% H 2 molar fraction). A significant increase of the ohmic resistance measured in the impedance spectra is revealed at decreasing the H 2 partial pressure or increasing the voltage (from 0.71 cm 2 at 100% H 2 to 0.81 cm 2 at 30% H 2 ). Good agreement between the calculated and experimental polarization and EIS curves is achieved by fitting the exchange current density and the capacitance of each electrode. Model and theoretical analyses allow to rationalize the observed shift of the ohmic resistance, highlighting the key-role played by the electronic leakage current. Overall, the model is able to capture significant kinetic features of IT-SOFCs, and allows to gain insight into relevant parameters for the optimal design of the cell (electrochemically active thickness, current and potential distribution, mass diffusion gradients). Samaria doped Ceria (SDC) and Gadolinia doped Ceria (GDC) are reference electrolyte materials for intermediate temperature solid oxide fuel cell (IT-SOFC) applications, thanks to their high ionic conductivity between 500• C and 700• C. 1-5 Associated to a high ionic conductivity, however, these materials show mixed ionic and electronic conductive (MIEC) properties, and their electronic conductivity increases when exposed to reducing atmospheres. The MIEC character of the electrolyte, in turn, results in the onset of electronic leakage currents (or short circuit currents) and low open-circuit voltage values. The leakage current has a chemical origin and is due to the partial reduction of Ce 4+ ions to Ce 3+ ions, prompted by the different chemical potential at the electrodes: this current is active also in the absence of an electric field applied on the cell, since it stems from the spontaneous transfer of ions across the lattice structure. As a consequence, the effects of the leakage current are not confined to the electrolyte, but extend to the electrodes, and entail a complex relationship with the current drawn from the cell. 6 Deeper insight can therefore be achieved by mathematical modeling.In the literature, comprehensive models can be found, which take into account the MIEC properties of Ce-based electrolytes. Starting from continuum rigorous descriptions, a series of models has been derived for the prediction of impedance spectra collected on MIEC electrolytes, the most important examples being those by Jamnik and Maier, 7 by the group of Haile 8,9 and by Atkinson et al. 10 These models propose closed-form, equivalent circuit-l...

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Section: Polarization and Eis Experiments-experiments At 700supporting

confidence: 93%

A Distributed Charge Transfer Model for IT-SOFCs Based on Ceria Electrolytes

Rahmanipour

Pappacena

Boaro

et al. 2017

J. Electrochem. Soc.

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“…The role of carbon deposits in enhancing the performance of Cu/ceria anodes was explained by McIntosh et al [102], who found that initially coking improves the connectivity of the metallic phase by increasing the length of the TPB. The Cu/ceria anode was also tested on other electrolytes such as samaria-doped ceria (SDC) [137] and strontium-doped lanthanum gallate (LSGM) [137], reconfirming the stability to coking of this anode.…”

Section: Metal/ceria Anodesmentioning

confidence: 86%

Direct Utilization of Liquid Fuels in SOFC for Portable Applications: Challenges for the Selection of Alternative Anodes

2009

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Solid oxide fuel cells (SOFC) have the advantage of being able to operate with fuels other than hydrogen. In particular, liquid fuels are especially attractive for powering portable applications such as small power generators or auxiliary power units, in which case the direct utilization of the fuel would be convenient. Although liquid fuels are easier to handle and transport than hydrogen, their direct use in SOFC can lead to anode deactivation due to carbon formation, especially on traditional nickel/yttria stabilized zirconia (Ni/YSZ) anodes. Significant advances have been made in anodic materials that are resistant to carbon formation but often these materials are less electrochemically active than Ni/YSZ. In this review the challenges of using liquid fuels directly in SOFC, in terms of gas-phase and catalytic reactions within the anode chamber, will be discussed and the alternative anode materials so far investigated will be compared.

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“…Esta deposição superficial de carbono leva à formação de camadas de grafite nas partículas de Ni e resulta na destruição do anodo [56]. Para garantir a reforma completa do combustível, principalmente em temperaturas intermediárias, o cermet ZEINi necessita de excesso de vapor d'água para evitar o depósito de carbono [67]. Esta recirculação de vapor d'água no anodo causa um agravamento no desempenho e também um aumento do custo da célula a combustível [68].…”

Section: Anodosunclassified

“…Considerando os compósitos, o critério de inatividade para as reações catalíticas que resultam na deposição de carbono na superfície exclui a maior parte dos metais de transição, com exceção de Cu, Au e Ag. Já foi relatado, por exemplo, que o problema da deposição de carbono observado nos anodos à base de Ni pode ser evitado utilizando anodos de ZEI-Cu a temperaturas intermediárias [70,67]. O cobre tem alta condutividade eletrônica e baixa atividade catalítica para a formação de carbono e por isso é escolhido para substituir o níquel.…”

Section: Anodosunclassified

Materiais cerâmicos para células a combustível

et al. 2004

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INTRODUÇÃOCélula a combustível é um dispositivo que converte eletroquimicamente combustíveis químicos em eletricidade; é, essencialmente, uma bateria que não para de fornecer corrente elétrica por causa da contínua alimentação externa de combustível. Em outras palavras, é uma bateria na qual os dois eletrodos não são consumidos durante a descarga, mas agem simplesmente como locais para a reação entre combustível e oxidante [1]. Células a combustível convertem energia química diretamente em energia elétrica com eficiência termodinâmica não limitada pelo ciclo de Carnot [2,3]. Essa vantagem das células a combustível depende, entretanto, de como os combustíveis que serão utilizados podem ser reformados para produzir hidrogênio e dióxido de carbono [4]. Toda célula a combustível é composta de uma seqüência de unidades, cada uma com quatro componentes: o eletrólito, o eletrodo para o ar (ar é o oxidante), o eletrodo para o combustível (o mais comum é o hidrogênio), e o interconector.Muitos tipos de células a combustível foram desenvolvidos, sendo as células classificadas geralmente de acordo com o tipo de eletrólito. Os cinco principais tipos são:1-célula a combustível de ácido fosfórico, operacional a 180 o C; 2-célula a combustível de membrana trocadora de prótons, ou célula a combustível de eletrólito de membrana polimérica, operacional na faixa de temperatura 60-80 o C; 3-célula a combustível de eletrólito alcalino, operacional a temperaturas relativamente baixas (80 o C). Tem sido usada no ônibus espacial como principal fonte de energia. Embora tenha operado confiável e eficientemente em missões espaciais por mais de 40 anos, não tem sido usada para outras finalidades, principalmente por causa do alto custo ResumoA partir da definição de células a combustível, é feita uma introdução sucinta dos tipos de células e dos materiais cerâmicos que são empregados em projeto e fabricação destes dispositivos geradores de energia elétrica. Tomando por base a ampla literatura científica disponível em publicações periódicas internacionais indexadas e arbitradas, bem como patentes, são relatados com detalhes os materiais cerâmicos com comportamento elétrico adequado para uso como eletrólitos, anodos, catodos, interconectores e selantes, que são os componentes básicos de células a combustível de óxidos sólidos. Por fim, é feita uma avaliação do estado da arte na pesquisa e desenvolvimento de materiais cerâmicos para uso em células a combustível de óxidos sólidos. Palavras-chave: célula a combustível, eletrólito sólido, anodo, catodo, interconector. Abstract Basic definitions of fuel cells and a brief introduction of different types of fuel cells

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SOFCs for Direct Oxidation of Hydrocarbon Fuels with Samaria-Doped Ceria Electrolyte

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A Distributed Charge Transfer Model for IT-SOFCs Based on Ceria Electrolytes

A Distributed Charge Transfer Model for IT-SOFCs Based on Ceria Electrolytes

Direct Utilization of Liquid Fuels in SOFC for Portable Applications: Challenges for the Selection of Alternative Anodes

Materiais cerâmicos para células a combustível

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