Tailoring materials for intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs) based on ceramic proton conducting electrolyte

摘要

Esistono attualmente varie ragioni per cui ampio interesse scientifico e tecnologico è rivolto verso sistemi di generazione di energia alternativi rispetto ai metodi convenzionali (quali i sistemi a turbine o i motori a combustione interna). Dal punto di vista ecologico, cresce il bisogno di ridurre la produzione di sostanze inquinanti per far fronte a uno sviluppo sostenibile. Da un punto di vista socio-economico, invece, aumenta il bisogno di far fronte a un continuo aumento della richiesta di energia, mentre nello stesso tempo le principali fonti di energia, quali i combustibili fossili, si stanno esaurendo. E infine, da un punto di vista socio-politico, la scarsità delle attuali fonti di energia sta creando drammatiche tensioni tra le varie aree economiche del mondo. La diminuzione della dipendenza mondiale dai combustibili fossili e l’introduzione di forme di generazione di energia alternative potrebbero sanare tale situazione. udIl concetto di energia alternativa è stato introdotto già da vari anni. Ci sono diverse fonti d energia alternativa, come l’energia solare, l’energia eolica o la fusione nucleare. Un diverso approccio consiste nello sviluppo di sistemi di generazione di energia alternativi, che siano in grado di lavorare con alti rendimenti e di limitare al massimo la produzione di inquinanti. Allo stato attuale i motori a combustione interna presentano un’efficienza totale del 20-30%. Questo significa che solo il 20-30% dell’energia termica contenuta nel gasolio viene utilizzata come lavoro meccanico. Alti rendimenti si traducono, invece, in costi ridotti per unità di lavoro prodotto.udLe celle a combustibile sono sistemi di conversione di energia alternativi i quali permettono la conversione diretta dell’energia chimica dei reagenti in energia elettrica, producendo al contempo basse emissioni inquinanti.udTra i diversi tipi di celle a combustibile, le celle a ossidi solidi (SOFCs) presentano vari vantaggi; tra i primi, lavorando ad alta temperatura (800-100°C) queste celle raggiungono valori di rendimento molto alti, permettono l’uso di diversi combustibili e l’unica emissione inquinante rilevante è quella di CO2, la quale rimane comunque un terzo di quella emessa da un motore a combustione interna a parità di kW/h prodotti. Tuttavia le alte temperature di lavoro comportano anche degli svantaggi: materiali costosi, elevati stress termici, difficoltà nel sigillare la cella, lunghi tempi di accensione e spegnimento del sistema. Per risolvere questi problemi la ricerca è orientata nell’abbassare la temperatura di funzionamento delle SOFCs nel cosiddetto range di temperature intermedie (400-700°C). udAbbassare la temperatura di funzionamento si traduce in un peggioramento delle performance dei vari componenti della cella, e per questo lo studio di nuovi materiali risulta essenziale nella prospettiva di rendere le SOFC commercializzabili.udLo scopo di tale lavoro di tesi è appunto lo studio di materiali elettrolitici ed elettrodici che presentino buone proprietà conduttive a temperature di funzionamento intermedie e che allo stesso tempo siano chimicamente stabili.udududNel capitolo 1A della tesi si presentano i principi basilari di funzionamento di una SOFC e una breve illustrazione dei materiali più studiati in letteratura sia per le alte e intermedie temperature di funzionamento. In particolare, tra i materiali ceramici con buone proprietà conduttive a basse temperature si trovano i conduttori protonici. Nel Capitolo 2A vengono illustrate le principali proprietà chimico-fisiche ed elettrochimiche di tali materiali ceramici.udMolti ossidi perovskitici presentano conduzione protonica a temperature intermedie quando esposti ad atmosfera di idrogeno e/o vapore acqueo. Tuttavia nessuno di questi ossidi presenta contemporaneamente le due proprietà essenziali richieste ad un buon elettrolita: alta conducibilità ionica e buona stabilità chimica. udLa seconda parte della tesi presenta i risultati del lavoro sperimentale svolto, il quale è stato rivolto alla preparazione e caratterizzazione di conduttori protonici ceramici elettrolitici con alta conducibilità e buona stabilità chimica e allo sviluppo di elettrodi a - hoc per tali elettroliti. udIl Capitolo 1B riporta l’ottimizzazione di una tecnica di sintesi sol gel per produrre i seguenti conduttori protonici: BaZr0.8Y0.2O3-δ (BZY) e BaCe0.8Y0.2O3-δ (BCY). Attraverso il metodo di sintesi ottimizzato si sono sintetizzate fasi singole dei suddetti composti. Le basse temperature di calcinazione richieste dal processo hanno portato a polveri di particelle nanometriche. I due composti sono stati sinterizzati in forma di pasticche circolari e caratterizzati elettricamente mediante spettroscopia di impedenza. Inoltre sono stati svolti test termici in flusso di anidride carbonica per valutare la stabilità chimica dei due composti, osservando una buona stabilità solo nel caso del BZY. Tuttavia le performance in cella di tale elettrolita si sono rilevate insufficienti rispetto ai target richiesti per la commercializzazione.udNel Capitolo 2B si è cercato di implementare le prestazioni del BZY sostituendo nel sito B della struttura perovskitica diverse quantità di Ce. Gli elettroliti cosi prodotti sono stati analizzati ai raggi X, sotto il punto di vista della stabilità chimica e della conducibilità elettrica. Il miglior compromesso tra stabilità chimica e conducibilità elettrica è risultato il composto con stechiometria BaZr0.5Ce0.3Y0.2O3-δ.udUn ulteriore miglioramento della conduzione elettrica rispetto al BaZr0.5Ce0.3Y0.2O3-δ, pur mantenendo un’ottima stabilità chimica, è stato ottenuto realizzando un elettrolita “a doppio strato”, il quale è descritto nel Capitolo 3B. Una pasticca spessa 1 mm di BCY è stata protetta con uno strato sottile (circa un micron) di BZY cresciuto tramite la tecnica di deposizione a laser pulsato. Questo nuovo elettrolita ha presentato elevata conducibilità e buone prestazioni in cella in termini di stabilità chimica e densità potenza fornita. udNel Capitolo 4B si sono invece investigati elettrodi funzionali per tali elettroliti a conduzione protonica. Un catodo composito e stato realizzato unendo un conduttore misto ionico/elettronico, La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ (LSCF), e un conduttore misto protonico/elettronico BaCe0.9Yb0.1O3-δ (10YbBC). L’uso di catodi compositi aumenta i siti di reazione al catodo, diminuendo quindi le cadute di potenziale dovute alle reazioni catodiche.