Preparation and characterization of Pr0.6Sr0.4FeO3-δ-Ce0.9Pr0.1O2-δ nanofiber structured composite cathode for IT-SOFCs

In this work, Pr_0.6Sr_0.4FeO_3-δ -Ce_0.9Pr_0.1O_2-δ (PSFO-CPO) nanofibers were synthesized by a one-step electrospin technique for use in intermediate-temperature solid oxide fuel cell (IT-SOFC) applications. PSFO-CPO nanofibers were produced with a diameter of about 100nm and lengths exceeding tens of microns. The thermal expansion coefficient (TEC) matches with standard GDC electrolytes and the resulting conductivity also satisfies the needs of IT-SOFCs cathodes. EIS analysis of the nanofiber structured electrode gives a polarization resistance of 0.072Ωcm² at 800°C, smaller than that from the powdered cathode with the same composition. The excellent electrochemical performance can be attributed to the well-constructed microstructure of the nanofiber structured cathode, which promotes surface oxygen diffusion and charge transfer processes. All the results imply that the one-step electrospin method is a facile and practical way of improving the cathode properties and that PSFO-CPO is a promising cathode material for IT-SOFCs.

Coupled diusion and mechanics in battery electrodes

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Développement et caractérisation de nouveaux nanocomposites polymères électriquement conductueurs pour plaques bipolaires de piles à combustible à membrane échangeuse de protons, PEMFC

Face à la diminution des ressources énergétiques et à l’augmentation de la pollution des énergies fossiles, de très nombreuses recherches sont actuellement menées pour produire de l’énergie propre et durable et pour réduire l’utilisation des sources d’énergies fossiles caractérisées par leur production intrinsèque des gaz à effet de serre. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une technologie qui prend de plus en plus d’ampleur pour produire l’énergie qui s’inscrit dans un contexte de développement durable. La PEMFC est un dispositif électrochimique qui fonctionne selon le principe inverse de l’électrolyse de l’eau. Elle convertit l’énergie de la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène (ou l’air) en puissance électrique, chaleur et eau; son seul rejet dans l’atmosphère est de la vapeur d’eau. Une pile de type PEMFC est constituée d’un empilement Électrode-Membrane-Électrode (EME) où la membrane consiste en un électrolyte polymère solide séparant les deux électrodes (l’anode et la cathode). Cet ensemble est intégré entre deux plaques bipolaires (BP) qui permettent de collecter le courant électrique et de distribuer les gaz grâce à des chemins de circulation gravés sur chacune de ses deux faces. La plupart des recherches focalisent sur la PEMFC afin d’améliorer ses performances électriques et sa durabilité et aussi de réduire son coût de production. Ces recherches portent sur le développement et la caractérisation des divers éléments de ce type de pile; y compris les éléments les plus coûteux et les plus massifs, tels que les plaques bipolaires. La conception de ces plaques doit tenir compte de plusieurs paramètres : elles doivent posséder une bonne perméabilité aux gaz et doivent combiner les propriétés de résistance mécanique, de stabilité chimique et thermique ainsi qu’une conductivité électrique élevée. Elles doivent aussi permettre d’évacuer adéquatement la chaleur générée dans le cœur de la cellule. Les plaques bipolaires métalliques sont pénalisées par leur faible résistance à la corrosion et celles en graphite sont fragiles et leur coût de fabrication est élevé (dû aux phases d’usinage des canaux de cheminement des gaz). C’est pourquoi de nombreuses recherches sont orientées vers le développement d’un nouveau concept de plaques bipolaires. La voie la plus prometteuse est de remplacer les matériaux métalliques et le graphite par des composites à matrice polymère. Les plaques bipolaires composites apparaissent attrayantes en raison de leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût de production mais nécessitent une amélioration de leurs propriétés électriques et mécaniques, d’où l’objectif principal de cette thèse dans laquelle on propose: i) un matériau nanocomposite développé par extrusion bi-vis qui est à base de polymères chargés d’additifs solides conducteurs, incluant des nanotubes de carbone. ii) fabriquer un prototype de plaque bipolaire à partir de ces matériaux en utilisant le procédé de compression à chaud avec un refroidissement contrôlé. Dans ce projet, deux polymères thermoplastiques ont été utilisés, le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyéthylène téréphtalate (PET). Les charges électriquement conductrices sélectionnées sont: le noir de carbone, le graphite et les nanotubes de carbones. La combinaison de ces charges conductrices a été aussi étudiée visant à obtenir des formulations optimisées. La conductivité électrique à travers l’épaisseur des échantillons développés ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été soigneusement caractérisées. Les résultats ont montré que non seulement la combinaison entre les charges conductrices influence les propriétés électriques et mécaniques des prototypes développés, mais aussi la distribution de ces charges (qui de son côté dépend de leur nature, leur taille et leurs propriétés de surface), avait aidé à améliorer les propriétés visées. Il a été observé que le traitement de surface des nanotubes de carbone avait aidé à l’amélioration de la conductivité électrique et la résistance mécanique des prototypes. Le taux de cristallinité généré durant le procédé de moulage par compression des prototypes de plaques bipolaires ainsi que la cinétique de cristallisation jouent un rôle important pour l’optimisation des propriétés électriques et mécaniques visées.

An iterative analytical design framework for the optimal designing of an off-grid renewable energy based hybrid smart micro-grid

Creative ways of utilising renewable energy sources in electricity generation especially in remote areas and particularly in countries depending on imported energy, while increasing energy security and reducing cost of such isolated off-grid systems, is becoming an urgently needed necessity for the effective strategic planning of Energy Systems. The aim of this research project was to design and implement a new decision support framework for the optimal design of hybrid micro grids considering different types of different technologies, where the design objective is to minimize the total cost of the hybrid micro grid while at the same time satisfying the required electric demand. Results of a comprehensive literature review, of existing analytical, decision support tools and literature on HPS, has identified the gaps and the necessary conceptual parts of an analytical decision support framework. As a result this research proposes and reports an Iterative Analytical Design Framework (IADF) and its implementation for the optimal design of an Off-grid renewable energy based hybrid smart micro-grid (OGREH-SμG) with intra and inter-grid (μG2μG & μG2G) synchronization capabilities and a novel storage technique. The modelling design and simulations were based on simulations conducted using HOMER Energy and MatLab/SIMULINK, Energy Planning and Design software platforms. The design, experimental proof of concept, verification and simulation of a new storage concept incorporating Hydrogen Peroxide (H2O2) fuel cell is also reported. The implementation of the smart components consisting Raspberry Pi that is devised and programmed for the semi-smart energy management framework (a novel control strategy, including synchronization capabilities) of the OGREH-SμG are also detailed and reported. The hybrid μG was designed and implemented as a case study for the Bayir/Jordan area. This research has provided an alternative decision support tool to solve Renewable Energy Integration for the optimal number, type and size of components to configure the hybrid μG. In addition this research has formulated and reported a linear cost function to mathematically verify computer based simulations and fine tune the solutions in the iterative framework and concluded that such solutions converge to a correct optimal approximation when considering the properties of the problem. As a result of this investigation it has been demonstrated that, the implemented and reported OGREH-SμG design incorporates wind and sun powered generation complemented with batteries, two fuel cell units and a diesel generator is a unique approach to Utilizing indigenous renewable energy with a capability of being able to synchronize with other μ-grids is the most effective and optimal way of electrifying developing countries with fewer resources in a sustainable way, with minimum impact on the environment while also achieving reductions in GHG. The dissertation concludes with suggested extensions to this work in the future.

Lógica borrosa para la estimación de estados críticos de una pila de combustible PEM

La determinación en tiempo real de los estados críticos de operación de la pila de combustible de membrana intercambio protónico (siglas en ingles, PEM) es uno de los principales retos para los sistemas de control de pilas de combustible PEM. En este trabajo, se presenta el desarrollo e implementación de un método no invasivo de bajo coste basado en técnicas de decisión borrosa que permite estimar los estados críticos de operación de la pila de combustible PEM. La estimación se realiza mediante perturbaciones al estado de operación de la pila y el análisis posterior de la evolución temporal del voltaje generado por la pila. La implementación de esta técnica de estimulación-percepción de estado de la pila de combustible para la detección de estados críticos constituye una novedad y un paso hacia el control autónomo en óptimas condiciones de la operación de las pilas de combustible PEM.

Scalable synthetic method for IT-SOFCs compounds

Póster presentado en: 12th EUROPEAN SOFC & SOE FORUM 2016. 5–8 July 2016, KKL Lucerne/Switzerland

Caracterização termo-mecânica de interconectores metálicos recobertos com filmes de LaCrO3

The cells unitaria of the solid oxide fuel cell are separated by means of interconnects, which serve as electrical contact between the cells. Lanthanum Chromite (LaCrO3) has been the most common material used as interconnect in solid oxide fuel cells. Reducing the operating temperature around 800 º C of cells to solid oxide fuel make possibilite the use of metallic interconnects as an alternative to ceramic LaCrO3. Metallic interconnects have advantages over ceramic interconnects such as high thermal conductivity, electricity, good ductility, low cost, good physical and mechanical properties. In this work evaluate the thermo-mechanical properties of the metallic substrate and coated metallic substrate with the ceramic LaCrO3 film via spray-pyrolysis, in order to demonstrate the feasibility of using this material as a component of a fuel cell solid oxide. The materials were characterized by X-ray diffraction, oxidation behavior, mechanical strength, optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). The X-ray diffraction proved the formation phase of the LaCrO3 on the metallic substrate and the identification of the phases formed after the oxidative test and mechanical strength at high temperature. The oxidation behavior showed the increased oxidation resistance of the coated metallic substrate. It was noted that the mechanical resistance to bending of the coated metallic substrate only increases at room temperature. The optical microscopy (OM) has provided an assessment of both the metallic substrate and the LaCrO3 film deposited on the metal substrate that, in comparison with the micrographs obtained from SEM. The SEM one proved the formation of Cr2O3 layer on the metallic substrate and stability of LaCrO3 film after oxidative test, it can also observe the displacement of the ceramic LaCrO3 film after of mechanical testing and mapping of the main elements as chromium, manganese, oxygen, lanthanum in samples after the thermo-mechanical tests.

Sinterização de Ce1-XEuXO2-(X/2) para aplicação como eletrólito sólido em células a combustível de temperaturas intermediárias

Given the environmental concern over global warming that occurs mainly by emission of CO2 from the combustion of petroleum, coal and natural gas research focused on alternative and clean energy generation has been intensified. Among these, the highlight the solid oxide fuel cell intermediate temperature (IT-SOFC). For application as electrolyte of the devices doped based CeO2 with rare earth ions (TR+ 3) have been quite promising because they have good ionic conductivity and operate at relatively low temperatures (500-800 ° C). In this work, studied the Ce1-xEuxO2-δ (x = 0,1, 0,2 and 0,3), solid solutions synthesized by the polymeric precursor method to be used as solid electrolyte. It was also studied the processing steps of these powders (milling, compaction and two step sintering) in order to obtain dense sintered pellets with reduced grain size and homogeneous microstructure. For this, the powders were characterized by thermal analysis, X-ray diffraction, particle size distribution and scanning electrons microscopy, since the sintered samples were characterized by dilatometry, scanning electrons microscopy, density and grain size measurements. By x-ray diffraction, it was verified the formation of the solid solution for all compositions. Crystallites in the nanometric scale were found for both sintering routes but the two step sintering presented significant reduction in the average grain size