Untersuchung des katalytischen Einflusses von Ceroxid auf die Direktverstromung von Kohlenstoff in einem SOFC-System

Abstract

Direktkohlenstoff-Brennstoffzellen (DCFC) bieten hohe thermodynamische Wirkungsgrade, die aufgrund der positiven Reaktionsentropieänderung bei der elektrochemischen Oxidation von Kohlenstoff 100% geringfügig übersteigt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde ein DCFC-Teststand weiterentwickelt, der auf dem Konzept einer Festoxidbrennstoffzelle basiert. Dafür befindet sich ein Pressling aus Kohlenstoffpulver anodenseitig in direktem Kontakt mit einer kreisförmigen Elektrolytschicht (Flachzelle mit Standardkathode aus LSM). Im Zentrum dieser Forschungsarbeit steht die Untersuchung von Elektrokatalysatoren, die unter dieser Konfiguration die Kinetik der Direktoxidation von Kohlenstoff erhöhen. Nach eingehender Literaturrecherche wurde hierfür Ceroxid ausgewählt. Dafür wurde ein Modell entwickelt, in dem die Einzelschritte der elektrochemischen Oxidation von Kohlenstoff angegeben werden, um die spezifische Wirkung von Ceroxid mit den Sauerstoffionen darzustellen. Außerdem wurden modifizierte Anodenbeschichtungen hergestellt, die aus CuO, YSZ und unterschiedlichen Anteilen von GDC bestehen. Diese letzte Anodenkomponente wurde als Katalysator dank seines Ceroxidgehalts (CeO2) genutzt. Systematische Messungen von Vollzellen wurden im Temperaturbereich von 750 bis 850 °C durchgeführt, um den katalytischen Einfluss von Ceroxid auf die Kinetik sowie die Reaktionsselektivität der Direktoxidation von Kohlenstoff zu untersuchen.

Direct carbon fuel cells (DCFC) offer high thermodynamic efficiencies, slightly exceeding 100% in a wide temperature range due to the positive near-zero value of the reaction entropy change. During this PhD thesis, a DCFC setup has been developed, which is based on the concept of a solid oxide fuel cell. To do that, a pellet of carbon powder is directly placed in contact with the circular thin electrolyte layer at the anode side. Button cells with standard cathodes (LSM-based) have been used. The focus of the research work has been turned towards the search of electrocatalysts, which enhance kinetics of the direct carbon conversion under this configuration. After an extensive literature research ceria has been selected. Thus, a model has been developed and proposed to explicitly explain the specific effect of ceria in interaction with the oxygen ions in the system. The single steps of the electrochemical oxidation of carbon are given. Moreover, modified anode layers based on CuO, YSZ and GDC have been developed and deposited on the YSZ electrolytes. Anodes with different GDC contents have been prepared. This anode compound is also catalytic active because of its content in ceria (CeO2). Systematic measurements of whole cells have been performed in a temperature range of 750 to 850 °C in order to study the catalytic effect of ceria on the kinetics as well as reaction selectivity of direct conversion of carbon.