A thermally self-sustained micro solid-oxide fuel-cell stack with high power density

Shao, Zongping; Haile, Sossina M.; Ahn, Jeongmin; Ronney, Paul D.; Zhan, Zhongliang; Barnett, Scott A.

doi:10.1038/nature03673

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“…As for energy harvesting, depending on the nature of energy sources, such as solar, 4−7 thermal, 8 chemical, 9 and mechanical, 10,11 various mechanisms have been developed for effectively converting them into electricity. Take smaller scale mechanical energy as an example, piezoelectric nanogenerators (NGs) have been developed into a powerful approach for converting lowfrequency, biomechanical energy into electricity.…”

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confidence: 99%

Hybridizing Energy Conversion and Storage in a Mechanical-to-Electrochemical Process for Self-Charging Power Cell

et al. 2012

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Energy generation and energy storage are two distinct processes that are usually accomplished using two separated units designed on the basis of different physical principles, such as piezoelectric nanogenerator and Li-ion battery; the former converts mechanical energy into electricity, and the latter stores electric energy as chemical energy. Here, we introduce a fundamental mechanism that directly hybridizes the two processes into one, in which the mechanical energy is directly converted and simultaneously stored as chemical energy without going through the intermediate step of first converting into electricity. By replacing the polyethylene (PE) separator as for conventional Li battery with a piezoelectric poly(vinylidene fluoride) (PVDF) film, the piezoelectric potential from the PVDF film as created by mechanical straining acts as a charge pump to drive Li ions to migrate from the cathode to the anode accompanying charging reactions at electrodes. This new approach can be applied to fabricating a self-charging power cell (SCPC) for sustainable driving micro/nanosystems and personal electronics. KEYWORDS: Self-charging power cell, mechanical energy, piezoelectricity, lithium ion battery, electrochemistry E nergy conversion and storage 1−3 are the two most important technologies in today's green and renewable energy science, which are usually separated units designed on the basis of vastly different approaches. As for energy harvesting, depending on the nature of energy sources, such as solar, 4−7 thermal, 8 chemical, 9 and mechanical, 10,11 various mechanisms have been developed for effectively converting them into electricity. Take smaller scale mechanical energy as an example, piezoelectric nanogenerators (NGs) have been developed into a powerful approach for converting lowfrequency, biomechanical energy into electricity. 12−14 The mechanism of the NG relies on the piezoelectric potential created by an externally applied strain in the piezoelectric material for driving the flow of electrons in the external load. 12 As for energy storage, Li-ion battery 15−20 is one of the most effective approaches, in which the electric energy is stored as chemical energy through the migration of Li ions under the driving of an externally applied voltage source and the follow up electrochemical reactions occurring at the anode and cathode. 21 In general, electricity generation and energy storage are two distinct processes that are accomplished through two different and separated physical units achieving the conversions from mechanical energy to electricity and then from electric energy to chemical energy, respectively. Here, we introduce a fundamental mechanism that directly hybridizes the two processes into one, through which the mechanical energy is directly converted and simultaneously stored as chemical energy, so that the nanogenerator and the battery are hybridized as a single unit. Such an integrated self-charging power cell (SCPC), which can be charged up by mechanical deformation and vibration from the e...

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Hybridizing Energy Conversion and Storage in a Mechanical-to-Electrochemical Process for Self-Charging Power Cell

et al. 2012

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“…O princípio de funcionamento dessas pilhas é baseado na alimentação separada de combustível e ar para o anodo e o catodo, respectivamente. Uma outra configuração de pilha, que recentemente voltou a ser estudada [11][12][13][14] , consiste de somente uma câmara, onde o anodo e o catodo são expostos à mesma mistura de combustível e ar 14 . Nestas pilhas o anodo tem uma alta atividade catalítica para oxidação do combustível, enquanto que o catodo tem maior atividade eletrocatalítica para redução do oxigê-nio, resultando assim em uma força eletromotriz entre os dois eletrodos.…”

Section: Pilha a Combustível De óXido Sólidounclassified

“…Pilhas com configuração monocâmara oferecem duas vantagens principais, se comparadas com as pilhas a combustível convencionais: sua construção é mais simples, porque não precisa de uma separação vedada entre a alimentação do combustível e do ar e, permitem uma diminuição significativa da espessura do eletrólito, o que diminui a resistência ôhmica da pilha devido à redução da separação entre os dois eletrodos [11][12][13][14] .…”

Section: Pilha a Combustível De óXido Sólidounclassified

“…Do ponto de vista tecnológico, destacam-se as seguintes vantagens desta configuração de pilha a combustível: diminuição do custo de manufatura, decorrente da simplificação do projeto; aumento da densidade de potência, em virtude da eliminação de estruturas complexas, volumosas e que agregam peso, como por ex., separadores e selagens; aumento da confiabilidade e vida útil do sistema, em função da sua simplificação e da eliminação das estruturas de vedação interna, sujeitas a trincas e perda de funcionalidade [11][12][13][14] .…”

Section: Pilha a Combustível De óXido Sólidounclassified

“…Recentemente foi demonstrado que pilhas monocâmara podem ser montadas com uma configuração do tipo micro pilha a combustível termicamente auto sustentada, o que pode no futuro permitir, inclusive, que elas venham a ser utilizadas como fonte de energia do tipo portátil. Entretanto, as pilhas SOFC tipo monocâmara ainda não foram testadas por períodos longos de operação e nem foram fabricados empilhamentos com esta concepção [11][12][13][14]17 ; portanto, este tipo de pilha ainda depende de grande quantidade de estudos para poder ser aplicada na prática.…”

Section: Pilha a Combustível De óXido Sólidounclassified

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Pilhas a combustível de óxido sólido: materiais, componentes e configurações

Amado¹,

Malta²,

Garrido³

et al. 2007

Quím. Nova

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Recebido em 19/7/05; aceito em 22/2/06; publicado na web em 30/8/06 SOLID OXIDE FUEL CELLS: MATERIALS, COMPONENTS AND CONFIGURATIONS. In this paper the current status of fuel cells is described with particular emphasis on high (T > 800 o C) and intermediate (T < 800 o C) temperature solid oxide fuel cells. Also the importance of the fuel cell technology is shown. Reviewed are the fundamental features, the basic principles, types of fuel cell, fabrication methods, cell configurations and the development of components (cathodes, anodes, electrolytes, interconnect) and materials.Keywords: fuel cells; energy; SOFC. INTRODUÇÃOO mundo tem-se voltado, nos últimos anos, para a discussão dos problemas econômicos e ambientais decorrentes da crescente dependência dos combustíveis fósseis como fonte primária para geração de energia. Grande atenção tem sido dada ao problema do aquecimento global, ocasionado, principalmente, pela emissão de gases decorrentes da queima desses combustíveis. Este fato tem provocado um grande interesse em pesquisas voltadas a formas alternativas de produção de energia elétrica, com especial atenção para aquelas provenientes de fontes renováveis. Destas novas tecnologias alternativas podem ser citadas: micro-hidráulicas, microturbinas, uso de biomassa, energia eólica, células fotovoltaicas, sistemas geotérmicos e pilhas a combustível. Dentre estas, as pilhas a combustível destacam-se como uma tecnologia bastante promissora [1][2][3][4] .Pilha a combustível é um dispositivo eletroquímico, que realiza a conversão de energia gerada por uma reação eletroquímica em energia elétrica, sendo um método altamente eficiente de geração de eletricidade e, em alguns casos, de calor. Os combustíveis mais utilizados são hidrogênio e substâncias que através de reforma gerem hidrogênio, como gás natural, hidrocarbonetos, metanol e biogás.A partir de 1970 vários tipos de pilhas foram montados, inclusive com algumas empresas já testando como combustível o gás natural. Mas foi na década de 80 que ocorreu um avanço mais intenso desta tecnologia, tornando possível a utilização, ainda em condições experimentais, de pilhas a combustível em veículos particulares e de transporte coletivo, assim como na geração de energia elétrica em larga escala. Atualmente, seu emprego pode ser visto em diversas finalidades, por ex., em automóveis e ônibus, montados nos Estados Unidos, na Alemanha, no Canadá e Japão, onde são utilizadas pilhas a combustível com capacidade de geração de cerca de 85 kW de potência, ou em módulos estacionários montados em Nova York e Tóquio no final da década passada, com geração de 4,8 MW de potência [1][2][3][4] .Desde a criação da primeira pilha a combustível até os dias atuais, o avanço desta tecnologia permitiu o desenvolvimento de vários tipos de dispositivos para gerar energia de forma mais limpa, ou seja, minimizando os impactos ambientais [1][2][3][4][5][6] .Pilhas a combustível podem ajudar a diminuir a dependência em combustíveis fósseis e diminuir a emissão de gases do efeito estufa na atmosfera, ...

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Influence of Anode Thickness on the Electrochemical Performance of Single Chamber Solid Oxide Fuel Cells

Buergler

Santschi

Felberbaum

et al. 2008

Advances in Solid Oxide Fuel Cells II: Ceramic Engineering and Science Proceedings, Volume 27, Issue 4

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A thermally self-sustained micro solid-oxide fuel-cell stack with high power density

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Hybridizing Energy Conversion and Storage in a Mechanical-to-Electrochemical Process for Self-Charging Power Cell

Hybridizing Energy Conversion and Storage in a Mechanical-to-Electrochemical Process for Self-Charging Power Cell

Pilhas a combustível de óxido sólido: materiais, componentes e configurações

Influence of Anode Thickness on the Electrochemical Performance of Single Chamber Solid Oxide Fuel Cells

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