In situ optical studies of methane and simulated biogas oxidation on high temperature solid oxide fuel cell anodes

文献情報

出版日 2013-11-07
DOI 10.1039/C3CP53278J
インパクトファクター 3.676
著者

John D. Kirtley, Daniel A. Steinhurst, Jeffery C. Owrutsky, Michael B. Pomfret, Robert A. Walker


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要旨

Novel integration of in situ near infrared (NIR) thermal imaging, vibrational Raman spectroscopy, and Fourier-transform infrared emission spectroscopy (FTIRES) coupled with traditional electrochemical measurements has been used to probe chemical and thermal properties of Ni-based, solid oxide fuel cell (SOFC) anodes operating with methane and simulated biogas fuel mixtures at 800 °C. Together, these three non-invasive optical techniques provide direct insight into the surface chemistry associated with device performance as a function of cell polarization. Specifically, data from these complementary methods measure with high spatial and temporal resolution thermal gradients and changes in material and gas phase composition in operando. NIR thermal images show that SOFC anodes operating with biogas undergo significant cooling (ΔT = −13 °C) relative to the same anodes operating with methane fuel (ΔT = −3 °C). This result is general regardless of cell polarization. Simultaneous Raman spectroscopic measurements are unable to detect carbon formation on anodes operating with biogas. Carbon deposition is observable during operation with methane as evidenced by a weak vibrational band at 1556 cm−1. This feature is assigned to highly ordered graphite. In situ FTIRES corroborates these results by identifying relative amounts of CO2 and CO produced during electrochemical removal of anodic carbon previously formed from an incident fuel feed. Taken together, these three optical techniques illustrate the promise that complementary, in situ methods have for identifying electrochemical oxidation mechanisms and carbon-forming pathways in high temperature electrochemical devices.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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