LA3.2.1 – Studio e sviluppo di materiali innovativi, nuove strutture e geometrie delle celle SOC attraverso tecniche di produzione alternative, con particolare attenzione verso le celle a conduzione protonica

Attività

Le celle a combustibile rappresentano una delle soluzioni tecnologiche più promettenti per la generazione di elettricità in modo sostenibile, pulito ed efficiente, sfruttando l’energia chimica dell’idrogeno. L’obiettivo di questa linea di attività è lo sviluppo di materiali all’avanguardia e tecniche di fabbricazione per celle a combustibile ad ossidi solidi, con particolare attenzione alle celle a conduzione protonica (PCC). Rispetto alle celle tradizionali a conduzione di ossigeno, le PCC consentono di ridurre la temperatura di esercizio da circa 1000 °C a valori inferiori a 700 °C, favorendo lo sviluppo della filiera dell’idrogeno.

Nei laboratori ENEA è stata avviata una nuova linea di ricerca dedicata al manufacturing di celle PCC e sono stati adibiti nuovi spazi di laboratorio. Le attività svolte comprendono la sintesi dei materiali elettrolitici a base perovskitica e l’integrazione con gli elettrodi mediante tecniche convenzionali, quali la pressatura isostatica in matrice e il tape-casting sequenziale di strati elettrolitici ed elettrodici. Parallelamente, vengono investigate tecniche innovative, come la Pulsed Electron Deposition (PED), per la deposizione di sottili strati di elettrolita sull’anodo. Le semi-celle saranno fabbricate tramite metodi di cottura ad alta temperatura attraverso lo studio di trattamenti termici ad-hoc. Infine, saranno realizzate le celle complete applicando l’elettrodo ad aria mediante brush-painting o screen-printing, e seguiranno test elettrochimici in condizioni operative per valutarne le prestazioni e la conducibilità.

Risultati

Le prime attività svolte hanno riguardati la sintesi sol-gel di polveri di ossidi solidi con struttura di tipo perovskite ABO₃ della famiglia dei cearati e zirconati di bario con stechiometria BaCe_1-x-yZr_xM_yO_3-𝛿 (con M cationi metallici trivalenti: Y, Gd e Sm). L’elettrolita ceramico compatto è stato fabbricato ottimizzando il sintering a temperature fino a 1450 °C, al fine di aumentare la densità (fino al 96% di densità relativa), diminuire la porosità e aumentare la compattezza dei grani (come si notano dalle immagini raccolte al microscopio ottico ed elettronico). Conducibilità fino a 13 mS/cm a 600 °C sono state misurate tramite EIS in ambiente operativo (umidità 5% H₂/Ar).

Per l’integrazione anodo-elettrolita sono stati investigate:

•il co-pressing che ha permesso l’ottenimento di semicelle piatte e prive di difetti con un layer elettrolitico altamente denso, ma disomogeneo per spessori inferiori ai 100 μm e un anodo con fase secondaria,

•il tape-casting di mescole a base EtOH e contententi additivi, plasticizzanti e disperdenti opportunamente selezioni per ottenere delle semi celle in configurazione anodo-supportate con anodo funzionale e di supporto,

•il PED per depositare la fase del target di BCZY prodotto in house, attraverso bombardamento pulstato di e-. L’ EDX della superficie ha evidenziato la presenza, seppur disomogenea, degli elementi caratterizzanti il target ma non è stato possibile ottenere una deposizione uniforme su tutto il substrato.

Infine le semi-celle fabbricate per co-pressing e tape-casting sono state completate applicando uno strato catodico di LSCF:BCZY per le misurazioni delle performance elettrochimiche.

Figura 2

Produzione di elettroliti compatti attraverso il sintering 2-step ottimizzato, cristallini a fase singola. Conduttività degli elettroliti BCZY e BCZG in diversi ambienti.

Figura 3

Produzione di semi-celle tramite co-pressing (a sx) e tramite tape-casting (a dx) e XRD corrispondenti

Figura 4

Set-up, deposizione e esempio di cella

In collaborazione con

Università di Torvergata

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