Κυψέλες καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη (SOFCs) εσωτερικής αναμόρφωσης του ισο-οκτανίου με χρήση καταλυτών Cu/CeO2 και Co/CeO2 ως ανοδικά ηλεκτρόδια
Creators: name: Ιωακειμίδης, Ζήσης Στυλιανού
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2016
Subjects: Καταλύτες
Αντίδραση ατμο-αναμόρφωσης ισο-οκτανίου
Καταλυτική ενεργότητα
Πειράματα σταθερότητας
Στερεοί ηλεκτρολύτες
Ηλεκτρόδια
Πρωτονιακοί αγωγοί υψηλής θερμοκρασίας
Ηλεκτροχημικές μετρήσεις
Ηλεκτροκαταλυτική παραγωγή υδρογόνου
Catalysts
Iso-octane steam reforming reaction
Catalytic activity
Stability experiments
Solid electrolytes
Electrodes
High temperature proton conductors
Electrochemical measurements
Electrocatalytic production of hydrogen

description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία αρχικά μελετήθηκε η διαδικασία της εσωτερικής ατμο-αναμόρφωσης του ισο-οκτανίου σε κυψέλη καυσίμου στερεού οξειδίου του τύπου Cu-CeO2/YSZ/Pt. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το ισο-οκτάνιο αναμορφώθηκε παρουσία H2O προς αέριο σύνθεσης στο σύνθετο υλικό Cu-CeO2, αποφεύγοντας το σχηματισμό εναποθέσεων άνθρακα. Εκτός από την αντίδραση της αναμόρφωσης του ισο-οκτανίου, σε συνθήκες ανοικτού κυκλώματος η κατανομή των προϊόντων επηρεάστηκε επίσης από τις σχετιζόμενες αντιδράσεις θερμικής πυρόλυσης και καταλυτικής διάσπαση του i-C8H18, καθώς επίσης και από την αντίστροφη αντίδραση μετατόπισης του CO με ατμό και την αντίδραση μεθανίωσης. Σε συνθήκες λειτουργίας κλειστού κυκλώματος, οι κυρίαρχες διεργασίες αφορούσαν κυρίως την ηλεκτρο-οξείδωση του Η2 και του CO και την ταυτόχρονη αντίδραση ηλεκτρόλυσης του H2O και του CO2, σε συνθήκες ανοδικής και καθοδικής πόλωσης, αντίστοιχα. Οι μελέτες φασματοσκοπίας εμπέδησης σύνθετης αντίστασης, έδειξαν ότι τόσο η συνολική ωμική αντίσταση του κελλίου όσο και του ηλεκτροδίου μειώθηκαν ουσιαστικά με αύξηση της θερμοκρασίας, οδηγώντας, κατά συνέπεια, σε υψηλότερες μέγιστες πυκνότητες ισχύος (12.6 mW/cm2, 850 oC). Από την άλλη μεριά, η διάχυση των φορτισμένων ή/και των ουδέτερων ειδών στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, είναι ενδεχομένως το βραδύ στάδιο που καθορίζει το συνολικό ρυθμό της διεργασίας, κατά τη λειτουργία της κυψέλης καυσίμου. Σε ένα επόμενο στάδιο, μελετήθηκε η απόδοση μιας κυψέλη καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFC) εωτερικής αναμόρφωσης του ισο-οκτανίου χρησιμοποιώντας ως ανοδικό ηλεκτρόδιο τον καταλύτη 20% κ.β. Co/CeO2. Αρχικά εξετάστηκε η καταλυτική ενεργότητα διαφόρων δι-μεταλλικών καταλυτικών συστημάτων του τύπου Cu-Co/CeO2 ως προς την αντίδραση αναμόρφωσης του ισο-οκτανίου. Σε όλες τις περιπτώσεις παρήχθησαν αέρια μίγματα πλούσια σε Η2, CO, CO2 and CH4. Μεταξύ όλων των δειγμάτων που μελετήθηκαν, ο καταλύτης 20% κ.β. Co/CeO2 παρουσίασε τη βέλτιστη καταλυτική απόδοση, επιτυγχάνοντας αποδόσεις προς παραγωγή Η2 που υπερβαίνουν το 75% στους 700 °C. Επιπλέον, τα πειράματα σταθερότητας μακράς διάρκειας (23 ώρες), κατέδειξαν την εξαιρετική συμπεριφορά σταθερότητας του εν λόγω καταλύτη, Για το λόγο αυτό, ο μονομεταλλικός καταλύτης 20% κ.β. Co/CeO2, επιλέχτηκε για χρήση του ως ανοδικό ηλεκτρόδιο στα ηλεκτροκαταλυτικά πειράματα, καθώς επίσης και στα πειράματα κυψέλης καυσίμου. Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων κυψέλης καυσίμου, η ισχύς εξόδου βρέθηκε παρόμοια με εκείνη που προκύπτει κατά την τροφοδοσία μιγμάτων 10% Η2/Ar στην κυψέλη καυσίμου, υποδεικνύοντας ότι ο καταλύτης Co/CeO2 μπορεί να θεωρηθεί ως ένα πολλά υποσχόμενο σύνθετο υλικό ανόδου για χρήση του σε κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (SOFCs) άμεσης τροφοδοσίας με υδρογονάνθρακες.
description: The internal reforming of iso-octane is examined in a solid oxide fuel cell of the type Cu-CeO2/YSZ/Pt. The results show that i-C8H18 is efficiently reformed by H2O to syngas over Cu/CeO2 composites, free of carbon deposits. Apart from iso-octane reforming, the products distribution at open circuit conditions is also influenced by the associated i-C8H18 thermal cracking and catalytic decomposition reactions as well as by the reverse water gas shift and methanation reactions. At closed circuit operation, the prevailing reactions are related to the electro-oxidation of H2 and CO and the co-electrolysis of H2O and CO2, at anodic and cathodic polarization conditions, respectively. AC impedance spectroscopy studies revealed that the cell and electrode resistances are substantially decreased with increasing temperature leading consequently to higher maximum power densities (12.6 mW/cm2, 850 oC). The diffusion of charged and/or neutral species at the electrode surface is possibly the rate limiting step during fuel cell operation. In the follwing, the performance of an i-C8H18 internal steam reforming solid oxide fuel cell (SOFC) with Co/CeO2 as anodic electrode, is also investigated. Initially, the catalytic activity of bi-metallic Cu Co ceria-supported catalysts for i-C8H18 steam reforming was examined. In all cases, gas mixtures rich in Η2, CO, CO2 and CH4 were produced. Among all samples tested, the 20wt% Co/CeO2 catalyst exhibited the optimum catalytic performance achieving Η2 yields exceeding 75% at 700 oC. In addition, the excellent durability of this catalyst was proven by long-term (23 h) stability experiments. To this end, the mono-metallic Co/CeO2 catalyst was selected to serve as the anodic electrode in the electrocatalytic and fuel cell tests. During the fuel cell measurements, the power output was found similar to that obtained when 10% H2/Ar mixtures were fed to the cell, indicating that Co/CeO2 can be considered as a promising anodic composite for direct hydrocarbon fed SOFCs.