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Modeling and experimental validation of CO heterogeneous chemistry and electrochemistry in solid oxide fuel cells

Yurkiv, Vitaliy

German Title: Modellierung und experimentelle Validierung der CO heterogene Chemie und Elektrochemie in solid oxide fuel cells

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In the present work experimental and numerical modeling studies of the heterogeneously catalyzed and electrochemical oxidation of CO at Nickel/yttria-stabilized zirconia (YSZ) solid oxide fuel cell (SOFC) anode systems were performed to evaluate elementary charge-transfer reaction mechanisms taking place at the three-phase boundary of CO/CO2 gas-phase, Ni electrode, and YSZ electrolyte. Temperature-programmed desorption and reaction experiments along with density functional theory calculations were performed to determine adsorption/desorption and surface diffusion kinetics as well as thermodynamic data for the CO/CO2/Ni and CO/CO2/YSZ systems. Based on these data elementary reaction based models with four different charge transfer mechanisms for the electrochemical CO oxidation were developed and applied in numerical simulations of literature experimental electrochemical data such as polarization curves and impedance spectra. Comparison between simulation and experiment demonstrated that only one of the four charge transfer mechanisms can consistently reproduce the electrochemical data over a wide range of operating temperatures and CO/CO2 gas compositions.

Translation of abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit wurden experimentelle und numerische Untersuchungen zur heterogen katalysierten und elektrochemischen Oxidation von CO an Anodensystemen (bestehend aus Nickel und yttriumdotiertem Zirkoniumdioxid, YSZ) von Festoxidbrennstoffzellen (engl. Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs) ausgeführt, um den mikroskopischen Mechanismus der an der CO/CO2–Gasphase/Ni-Elektrode/YSZ-Elektrolyt-Dreiphasen-Grenzfläche ablaufenden Ladungsübertragungsreaktion aufzuklären. Temperatur-programmierte Desorptionsmessungen (TPD) und Temperaturprogrammierte Reaktionsmessungen (TPR) sowie Dichtefunktionaltheorierechnungen wurden ausgeführt, um adsorptions-, desorptions- und reaktionskinetische sowie thermodynamische Daten für die CO/CO2/Ni- und CO/CO2/YSZ-Reaktionssysteme zu erhalten. Unter Verwendung dieser Daten wurden auf Elementarreaktionen basierende mikrokinetische Modelle, die vier verschiedene Ladungstransfermechanismen enthielten, für die elektrochemische CO-Oxidation entwickelt und zur numerischen Simulation experimenteller elektrochemischer Literaturdaten wie Polarisationskurven und Impedanzspektren herangezogen. Durch Vergleich zwischen Simulation und Experiment konnte gezeigt werden, dass nur einer der vier Ladungstransfermechanismen die vorhandenen elektrochemischen Daten über einen weiten Temperatur- und CO/CO2–Gaszusammensetzungsbereich konsistent reproduzieren kann.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Volpp, Prof. Dr. Hans-Robert
Date of thesis defense: 17 December 2010
Date Deposited: 27 Jan 2011 10:27
Date: 2010
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Solid oxide fuel cells, carbon monoxide oxidation, electrochemistry, elementary kinetics
Uncontrolled Keywords: Solid oxide fuel cells , carbon monoxide oxidation , electrochemistry , elementary kinetics
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