Fuel Cells Compendium

Fuel Cells Compendium......Page 4
0080446965......Page 1
Contents......Page 6
Foreword......Page 10
Contributors......Page 12
1. INTRODUCTION......Page 18
2.1. Siemens Westinghouse Power Corporation’s Tubular SOFC Program......Page 19
2.2. Solid State Energy Conversion Alliance (SECA) SOFC Programs......Page 24
3. MOLTEN CARBONATE FUEL CELLS (MCFCs)......Page 25
4. FUTUREGEN......Page 26
ACKNOWLEDGEMENTS......Page 27
REFERENCES......Page 28
Abstract......Page 30
2. THE TECHNOLOGY DEVELOPMENT PATH TO THE PEMFC (1838–1960s)......Page 31
3. PEMFC DEVELOPMENT FROM THE 1970s INTO THE NEW MILLENNIUM......Page 33
4. KEY BUSINESS AND SUPPLIER ALLIANCES IN PEMFCs FOR THE 21st CENTURY......Page 37
6. THE OUTLOOK FOR THE FUTURE......Page 39
REFERENCES......Page 40
Abstract......Page 46
1. INTRODUCTION......Page 47
2.1.1. Thermodynamic considerations......Page 48
2.1.2. Kinetic considerations......Page 50
2.2.1.1. Catalytic metal components......Page 52
2.2.1.3. Modified nickel catalysts......Page 53
2.2.3. Reaction pathways......Page 55
2.2.4. Nature of the feed......Page 56
2.3. Factors favoring production of heavier alkanes......Page 58
2.4. Producing hydrogen containing low levels of CO: ultra-shift......Page 59
2.5. Hydrogen from concentrated glucose feeds......Page 61
3. DISCUSSION AND OVERVIEW......Page 62
REFERENCES......Page 68
Abstract......Page 70
1. INTRODUCTION......Page 71
2.1. Supply-side challenge of energy balance......Page 72
2.3. Vision for efficient utilization of hydrocarbon resources......Page 74
3.2. Efficiency of fuel cells......Page 76
3.3. Types of fuel cells......Page 77
3.3.1. Proton-exchange membrane fuel cell......Page 78
3.3.2. Phosphoric acid fuel cell......Page 79
3.3.4. Molten carbonate fuel cell......Page 80
3.3.5. Solid oxide fuel cell......Page 81
4.1. Fuel options for fuel cells......Page 82
4.2. Fuel cells for electric power plants......Page 84
4.3. Fuel cells for transportation......Page 85
4.5. Fuel cells as portable power sources......Page 86
Abstract......Page 108
2. REFORMER CATALYSTS......Page 109
2.1. Methane and hydrocarbon steam reforming and partial oxidation......Page 110
2.2. Gasoline/hydrocarbon autothermal reforming......Page 111
2.3. Methanol reforming......Page 112
3. WATER GAS SHIFT......Page 113
3.1. Non-precious metal catalysts......Page 114
3.2. Precious metal catalysts......Page 115
4. CO CLEAN-UP THROUGH PREFERENTIAL OXIDATION......Page 117
5. CONCLUSIONS......Page 118
REFERENCES......Page 119
1. INTRODUCTION......Page 124
2. STEAM REFORMING......Page 125
3. PARTIAL OXIDATION......Page 128
4. CARBON MONOXIDE CLEAN-UP......Page 129
5. THE FUEL CHOICE......Page 131
REFERENCES......Page 132
Abstract......Page 134
1. INTRODUCTION......Page 135
2.1. Principle of operation......Page 136
2.3. Corporate activities......Page 138
3.1.1. Space applications......Page 139
3.1.2. Atmospheric pressure cells......Page 140
3.1.3.1. Three-dimensional electrodes......Page 141
3.1.3.2. Electrode materials......Page 142
3.2. Poisoning and contamination issues......Page 143
3.2.1. Effect of carbon dioxide on the cathode......Page 144
3.2.2. Carbon dioxide strategies for the cathode......Page 145
3.2.5. Summary of contamination effects......Page 146
3.3.1. Electrolyte circulation......Page 147
3.4.1. Zevco long-term tests......Page 148
3.4.3. Summary of AFC lifetimes......Page 149
4. COST ANALYSIS......Page 150
4.2.1. AFC stack materials......Page 151
4.2.2. PEMFC stack materials......Page 152
4.3. Impact of production volume......Page 153
4.4. Extrapolation to ambient air PEM......Page 154
4.5.1.4. Water management......Page 155
4.5.4. Ambient air PEM peripherals......Page 156
4.7. System cost estimates......Page 157
5. CONCLUSIONS......Page 158
APPENDIX A. 7KW PEMFC STACK COST DEVELOPMENT......Page 159
REFERENCES......Page 160
1. INTRODUCTION......Page 164
3. ELECTROLYTE......Page 165
5. ANODE MATERIALS......Page 167
REFERENCES......Page 168
1. INTRODUCTION......Page 172
2. FUNDAMENTALS OF THE PAFC......Page 173
3.2. Electrodes......Page 175
3.3. Bipolar plates......Page 176
4.2. Hydrogen operation......Page 177
4.3. Utilization of anaerobic digester gas......Page 178
4.4. Energy supply for hospitals......Page 179
4.6. Service and maintenance......Page 180
REFERENCES......Page 181
Abstract......Page 184
2.1. Portable power......Page 185
2.2. Transportation......Page 192
3.1.1. Overall reaction, intermediate steps and rate determining steps......Page 196
3.1.2. Electrocatalysis......Page 197
3.2.2. Methods for inhibition of methanol crossover......Page 199
3.3. Electrode kinetics and electrocatalysis of oxygen reduction......Page 201
REFERENCES......Page 202
Abstract......Page 206
2. ZIRCONIA-BASED SOLID ELECTROLYTES......Page 207
3. LaGaO[sub(3)]-BASED ELECTROLYTES......Page 211
4. DOPED CERIA ELECTROLYTES......Page 213
5. δ-Bi[sub(2)]O[sub(3)]- AND Bi[sub(4)]V[sub(2)]O[sub(11)]-BASED CERAMICS......Page 217
6. MATERIALS BASED ON La[sub(2)]Mo[sub(2)]O[sub(9)] (LAMOX)......Page 220
7. PEROVSKITE- AND BROWNMILLERITE-LIKE PHASES DERIVED FROM Ba[sub(2)]In[sub(2)]O[sub(5)]......Page 221
8. PEROVSKITES BASED ON LnBO[sub(3)] (B=Al, In, Sc, Y)......Page 222
9. SOLID ELECTROLYTES WITH APATITE STRUCTURE......Page 224
10. PYROCHLORES AND FLUORITE-TYPE (Y,Nb,Zr)O[sub(2-δ)]......Page 225
REFERENCES......Page 226
1. INTRODUCTION......Page 232
2.1. Ni–ZrO[sub(2)](Y[sub(2)]O[sub(3)]) cermet......Page 234
2.2. CeO[sub(2)] (rare-earth doped) anode......Page 243
2.3. Other anode materials......Page 246
ACKNOWLEDGEMENTS......Page 247
REFERENCES......Page 248
Abstract......Page 252
2. ADVANCES IN SOFC RESEARCH AND DEVELOPMENT......Page 253
2.1. SOFC operating at temperature <800°C......Page 254
2.2. Direct supply of hydrocarbon fuels......Page 255
2.2.2. Direct oxidation......Page 256
3. AGING MECHANISM OF COMPONENTS IN SOFC......Page 258
3.1. Aging mechanism of anode......Page 259
3.2. Aging mechanism of cathode......Page 260
3.3. Aging mechanism of interconnect......Page 262
4. BENEFIT OF SOFC OPERATION AT HIGHER CELL VOLTAGE......Page 264
REFERENCES......Page 265
1. INTRODUCTION......Page 266
3. CERAMIC COMPONENTS......Page 267
4. INTERCONNECT MATERIALS......Page 271
REFERENCES......Page 273
Abstract......Page 278
1. INTRODUCTION......Page 279
2.1. Estimation of current distribution......Page 280
2.2. Material properties and microstructural sensitivities of the model......Page 281
3.1. Outer layer......Page 284
3.2.2. Larger grain diameter (0.5 μm)......Page 285
APPENDIX A. MODEL PARAMETERS......Page 286
APPENDIX B......Page 287
C.1. Microstructural design including concentration polarization......Page 289
REFERENCES......Page 291
Abstract......Page 292
1. INTRODUCTION......Page 294
2.1. Clean surfaces......Page 295
2.2. Adsorbate-induced changes in surface structure......Page 296
2.2.1. Hydrogen adsorption......Page 297
2.2.2. Oxygen adsorption......Page 298
2.2.3. Carbon monoxide adsorption......Page 300
3. STRUCTURES AND CHEMISTRY OF Pt BIMETALLIC SURFACES IN UHV......Page 302
4. SURFACE STRUCTURES AND ENERGETICS OF Pt(h k l) SURFACES IN ELECTROLYTE......Page 304
4.1.1. Pt(1 1 1)......Page 305
4.1.2. Pt(1 0 0)......Page 307
4.1.3. Pt(1 1 0)......Page 308
4.2.1. Pt(1 1 1)—H[sub(upd)] system......Page 311
4.2.2. Pt(1 1 1)—OH[sub(ad)] system......Page 314
4.3. Relaxation of Pt(h k l) surfaces induced by H[sub(upd)] and OH[sub(ad)]......Page 315
4.4. Surface structures and energetics of anion adsorption on Pt(h k l) surfaces......Page 316
4.4.1. (Bi)sulfate adsorption......Page 317
4.4.2. Halide adsorption......Page 319
4.5. Surface structures of UPD and irreversibly adsorbed metals on Pt(h k l) surfaces......Page 324
4.5.1. Cu UPD......Page 325
4.5.2. Pb UPD......Page 328
4.5.3. Irreversibly adsorbed Bi......Page 330
4.6. Surface structure of thin metal films......Page 333
5. ELECTROCATALYSIS AT WELL-DEFINED SURFACES......Page 334
5.1.1. Structure sensitivity on Pt(h k l) surfaces......Page 336
5.1.2. HOR on Pt(h k l) surfaces modified with Cu[sub(upd)], Pb[sub(upd)], and Bi[sub(ir)]......Page 341
5.1.3. HER/HOR on Pt(1 1 1)-modified with a pseudomorphic Pd film......Page 342
5.2.1. Reaction pathway......Page 344
5.2.2. Structure sensitivity on Pt(h k l) surfaces......Page 345
5.2.3. ORR on Pt(h k l) surfaces modified with UPD metals......Page 348
5.2.5. ORR on Pt alloy surfaces......Page 349
5.3.1. Surface structures of CO[sub(ad)] on Pt(h k l) surfaces......Page 352
5.3.2. Energetics and kinetics of CO electrooxidation on Pt(h k l) surfaces......Page 359
5.3.3. Surface chemistry of CO on Cu[sub(upd)], Pb[sub(upd)], Sn[sub(upd)], and Bi[sub(ir)]-modified Pt(h k l) surfaces......Page 363
5.3.4. Surface chemistry of CO on Pt bimetallic alloy surfaces......Page 366
5.4. Oxidation of formic acid on Pt(h k l) and bimetallic surfaces......Page 370
5.5. Oxidation of methanol on Pt(h k l) and bimetallic surfaces......Page 375
6. FUTURE DEVELOPMENTS......Page 382
REFERENCES......Page 383
Abstract......Page 392
1.1. Polymer electrolyte fuel cells......Page 393
1.2. Solid polymer electrolyte membranes......Page 394
2.1. Materials......Page 396
2.2. Thermal stability of sulfonated aromatic polymer electrolyte membranes......Page 399
2.3. Water uptake in sulfonated aromatic polymer electrolyte membranes......Page 401
2.4. Proton conductivity of sulfonated aromatic polymer electrolyte membranes......Page 403
3.1. Materials......Page 406
3.2. Thermal stability of alkylsulfonated aromatic polymer electrolyte membranes......Page 408
3.3. Water uptake in alkylsulfonated aromatic polymer electrolyte membranes......Page 409
3.4. Proton conductivity of alkylsulfonated aromatic polymer electrolyte membranes......Page 410
4.1. Materials......Page 413
4.2. Thermal stability of acid–base polymer complexes......Page 417
4.3. Conductivity of acid–base polymer complex......Page 418
5. OTHER PROTON-CONDUCTING POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANES......Page 420
7. SUMMARY......Page 425
REFERENCES......Page 426
Abstract......Page 428
1.2. Nafion® PFSA membranes......Page 429
1.4. Polymer chemical stability......Page 430
2.2. Viscosity measurements......Page 431
2.6. Contact angle......Page 432
3.1. Polymer chemical stability......Page 433
3.2. Nafion® PFSA polymer dispersions......Page 435
3.3. Nafion® PFSA solution-cast membranes......Page 436
3.4. Nafion® ST membranes......Page 438
REFERENCES......Page 440
1. INTRODUCTION......Page 442
2. PRIOR WORK: CHEMISTRY, PROCESSING, AND PROPERTIES......Page 443
3.2. Polymer–ceramic particle interaction and microstructure......Page 444
3.3. Transport of charged species in a composite material......Page 445
5. PERMEABILITY OF MOLECULAR SPECIES......Page 447
6. SUMMARY AND CONCLUSIONS......Page 448
REFERENCES......Page 449
1. INTRODUCTION......Page 450
2. IONOMERS AND IONOMER MEMBRANES......Page 451
3. ORGANIC–INORGANIC HYBRID MEMBRANES......Page 452
4. MEMBRANES BASED ON POLYMERS AND OXO-ACIDS......Page 454
6. THEORETICAL STUDIES......Page 455
REFERENCES AND RECOMMENDED READING......Page 456
Abstract......Page 460
1. INTRODUCTION......Page 461
1.3. Electrode designs......Page 463
2.1. Nafion impregnation......Page 464
3. THIN-FILM METHODS......Page 465
3.2. Organic solvents......Page 468
3.3. Pore formers in the catalyst layer......Page 469
3.4. Thermoplastic ionomers......Page 470
3.5. Colloidal method......Page 471
4. VACUUM DEPOSITION METHODS......Page 472
4.1. Graded catalyst deposition......Page 474
4.2. Multiple layer sputtering......Page 475
5. ELECTRODEPOSITION METHODS......Page 476
5.2. Membrane layer......Page 477
7. CATALYST SUPPORTS......Page 478
7.2. Binary carbon catalyst supports......Page 479
8. GAS DIFFUSION LAYER DEVELOPMENT......Page 480
8.3. Thickness......Page 481
8.5. Pore formers in the gas diffusion layer......Page 482
REFERENCES......Page 483
Abstract......Page 486
1. INTRODUCTION......Page 487
2.1.1. Membrane design......Page 488
2.1.2. Catalyst layer design......Page 491
2.2.1. Membrane and GDL fabrication......Page 498
2.2.2. MEA assembly......Page 502
3.1. Bipolar plate design......Page 507
3.1.2. Coated metallic plates......Page 508
3.1.3. Composite plates......Page 510
3.2.3. Composite plate fabrication......Page 511
4. DISCUSSION......Page 513
REFERENCES......Page 516
1. INTRODUCTION......Page 520
2. EXPERIMENTAL......Page 521
3.1. Low reactant flow......Page 522
3.2. Low humidification......Page 523
3.3. High humidification......Page 526
3.4. Low temperature......Page 529
3.5. High temperature......Page 530
REFERENCES......Page 532
1. INTRODUCTION......Page 534
2. STORING HYDROGEN AS A GAS......Page 535
2.1. High-pressure gas cylinders......Page 536
3. LIQUID-HYDROGEN STORAGE......Page 537
4. PHYSISORPTION OF HYDROGEN......Page 538
5. METAL HYDRIDES......Page 541
6. COMPLEX HYDRIDES......Page 544
8. CONCLUSION......Page 545
REFERENCES......Page 546
1. INTRODUCTION......Page 548
2. FUEL CELL SYSTEM......Page 549
3. PERFORMANCE OF FUEL CELL SYSTEM......Page 550
3.1. Air management system......Page 551
3.3. PEFC system performance......Page 552
4. PERFORMANCE OF FUEL CELL VEHICLES......Page 554
4.1. Fuel economy......Page 556
4.2. Effects of fuel cell system parameters......Page 557
4.3. Effects of improved H[sub(2)]-FCV parameters......Page 558
5. CONCLUSIONS......Page 559
REFERENCES......Page 560
1. INTRODUCTION......Page 562
2. THEORY......Page 563
3. EXPERIMENTAL......Page 564
4.1. Humidifier......Page 566
4.3. Water separator......Page 568
4.4. Overall heat management......Page 569
5. DISCUSSION......Page 570
REFERENCES......Page 571
1. INTRODUCTION......Page 572
2. CURRENT DEVELOPMENTS IN PEMFCs FOR PORTABLE APPLICATIONS......Page 573
2.1. Direct methanol fuel cells......Page 574
2.2. Hydrogen for portable systems......Page 575
REFERENCES......Page 576
Abstract......Page 578
2. DESIGN PRINCIPLES AND FABRICATION ISSUES......Page 579
2.1. Current collectors/gas diffusion layers......Page 580
2.2. Electrolyte issues......Page 581
3. FUEL CELL PERFORMANCE......Page 583
4.1. Hydrogen generation via decomposition of sodium borohydride solutions......Page 585
4.2. Hydrogen storage in metal hydrides......Page 586
5. SUMMARY......Page 588
REFERENCES......Page 589
Abstract......Page 590
1. GENERAL INTRODUCTION......Page 591
2.2. Principle – membrane electrolysis cell......Page 593
3.1. Introduction......Page 596
3.2.1. Catalyst in PEFC......Page 597
3.2.2. Polymeric membrane in PEFC......Page 598
4.2. Principle of a BPM......Page 599
4.3. Principle of BPM electrodialysis......Page 600
4.4. Preparation of BPMs......Page 601
4.5. Characterization of BPMs......Page 602
4.6. Limitations of EDBPM......Page 603
4.7. EDBPM processes......Page 604
REFERENCES......Page 605
NOMENCLATURE......Page 608
Abstract......Page 610
2. SIGNIFICANCE OF THE COMPACT MIXED-REACTANT FUEL CELL......Page 611
3. HISTORY OF MIXED-REACTANT FUEL CELLS......Page 612
4. DEVELOPMENT OF CMR SYSTEMS......Page 617
6. CONCLUSION......Page 621
REFERENCES......Page 622
A......Page 624
C......Page 625
D......Page 626
F......Page 627
G......Page 628
I......Page 629
M......Page 630
P......Page 631
S......Page 634
U......Page 635
Z......Page 636