A direct-methane fuel cell with a ceria-based anode

Murray, Erica Perry; Tsai, Tsepin; Barnett, Scott A.

doi:10.1038/23220

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“…Esta recirculação de vapor d'água no anodo causa um agravamento no desempenho e também um aumento do custo da célula a combustível [68]. Uma camada de céria:ítria (CeO 2 :Y 2 O 3 ) entre o eletrólito de zircônia estabilizada com ítria e o compósito ZEI-Ni já foi utilizada como catalisadora para a reforma do metano em uma célula a combustível operando a 650 °C; entretanto, a temperatura de operação não deve ser elevada acima de 700°C para evitar a deposição de carbono na superfície do Ni [69]. A céria é adicionada para melhorar o desempenho do eletrodo, pois tem uma boa atividade catalítica para a oxidação do combustível, sem promover a formação de carbono.…”

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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Section: Anodosunclassified

Materiais cerâmicos para células a combustível

et al. 2004

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“…In addition to the added complexity of a system in which steam is added with the hydrocarbon, the added steam is effectively a diluent that reduces the anode fuel concentration. A less conventional approach has been used by Barnett and coworkers, who showed that direct, electrochemical oxidation of methane is possible for a narrow range of operating temperatures where carbon formation is not favored [5]. Unfortunately, there is no thermodynamic window of stability at practical temperatures for hydrocarbons other than methane [6].…”

Section: Direct Oxidation Of Hydrocarbon Fuels Is Theoretically Possimentioning

confidence: 99%

Novel SOFC anodes for the direct electrochemical oxidation of hydrocarbon

Gorte

Kim

Vohs

2002

Journal of Power Sources

273

158

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This paper describes recent developments in solid-oxide fuel cells (SOFC) that use Cu-based cermets as the anode for direct oxidation of hydrocarbon fuels, including liquids such as gasoline, to generate electrical power without the need for first reforming that fuel to H 2 . Cu-YSZ cermets were found to be stable in hydrocarbon environments, but exhibited low performance for direct oxidation. Reasonable power densities could only be achieved with the addition of a catalytic oxide, like ceria, with the Cu cermet. Electrochemical oxidation studies demonstrated that the initial products for reaction depend on the catalytic oxide. Finally, the effect of sulfur impurities in the fuel is discussed. AbstractThis paper describes recent developments in solid-oxide fuel cells (SOFC) that use Cubased cermets as the anode for direct oxidation of hydrocarbon fuels, including liquids such as gasoline, to generate electrical power without the need for first reforming that fuel to H 2 . Cu-YSZ cermets were found to be stable in hydrocarbon environments, but exhibited low performance for direct oxidation. Reasonable power densities could only be achieved with the addition of a catalytic oxide, like ceria, with the Cu cermet. Electrochemical oxidation studies demonstrated that the initial products for reaction depend on the catalytic oxide. Finally, the effect of sulfur impurities in the fuel is discussed.

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“…One of the most studied materials for oxygen-ion incorporation is cerium oxide or ceria [10][11][12][13][14][15] . Ion-incorporation reactions at the ceria-gas interface are coupled to a wide range of molecules including H 2 /H 2 O, CO/CO 2 , NO x , SO x , etc 10 .…”

mentioning

confidence: 99%

Fast vacancy-mediated oxygen ion incorporation across the ceria–gas electrochemical interface

et al. 2014

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Electrochemical incorporation reactions are ubiquitous in energy storage and conversion devices based on mixed ionic and electronic conductors, such as lithium-ion batteries, solidoxide fuel cells and water-splitting membranes. The two-way traffic of ions and electrons across the electrochemical interface, coupled with the bulk transport of mass and charge, has been challenging to understand. Here we report an investigation of the oxygen-ion incorporation pathway in CeO 2-d (ceria), one of the most recognized oxygen-deficient compounds, during hydrogen oxidation and water splitting. We probe the response of surface oxygen vacancies, electrons and adsorbates to the electrochemical polarization at the ceria-gas interface. We show that surface oxygen-ion transfer, mediated by oxygen vacancies, is fast. Furthermore, we infer that the electron transfer between cerium cations and hydroxyl ions is the rate-determining step. Our in operando observations reveal the precise roles of surface oxygen vacancy and electron defects in determining the rate of surface incorporation reactions.

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A direct-methane fuel cell with a ceria-based anode

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Materiais cerâmicos para células a combustível

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Novel SOFC anodes for the direct electrochemical oxidation of hydrocarbon

Fast vacancy-mediated oxygen ion incorporation across the ceria–gas electrochemical interface

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