LA3.2.2 – Sviluppo di materiali innovativi per celle reversibili operanti ad alta temperatura con elettrolita ceramico protonico ed anionico e a conduzione ibrida e/o mista

Attività – Responsabile LA : LF Liotta; Per ISMN: F. Deganello, C. Aliotta, L. Valentino, LF Liotta

La LA3.2.2 sviluppa materiali e componenti per celle elettrochimiche reversibili ad ossidi solidi (rSOC), capaci di produrre elettricità in modalità fuel cell e idrogeno o syngas in modalità elettrolisi, invertendo la direzione della corrente.

L’attività integra elettrodi a base di SrFeO₃ drogata, perovskiti exsolute e ferrocobaltiti modificate con elettroliti ceramici a conduzione protonica, anionica o ibrida, per favorire il funzionamento reversibile a temperature intermedie. I profili H₂-TPR mostrano diversi processi di riduzione distribuiti in un ampio intervallo di temperatura, principalmente attribuiti alla riduzione progressiva delle specie di Fe nel sito B. Il consumo di H₂ dipende fortemente dalla combinazione dei dopanti. Y–Ti e Ce–Ti mostrano il maggiore consumo di H₂ al di sotto di 600 °C, indicando una maggiore riducibilità. Dopo il trattamento riducente, la struttura cubica viene sostanzialmente mantenuta in tutti i campioni, ma con differenze tra le composizioni. Ce–Mo, Y–Mo e Y–Ti mostrano la maggiore ritenzione della fase cubica, mentre Ce–Ti, Ce–Al e Sm–Ti presentano una maggiore formazione della fase ortorombica Sr₂Fe₂O₅.

Risultati

Le prestazioni sono state valutate mediante spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) su celle simmetriche, a temperature comprese tra 700 e 450 °C, in atmosfera contenente H₂. Come elettrolita è stata usata una ceria drogata con samario (SDC).

L’analisi della relazione tra resistenza di polarizzazione (Rp) ed energia di attivazione (Ea) ha evidenziato Ce–Mo, Ce–Al e Y–Ti come le composizioni con il miglior compromesso tra attività elettrochimica ed energia di attivazione. Un’adeguata modulazione dei dopanti nei siti A e B consente di migliorare il comportamento elettrochimico mantenendo una buona stabilità strutturale.

Figura 2

Risultati

ATTIVITA’ – Per ISSMC: A. Gondolini, E. Mercadelli, A. Bartoletti, A. Sanson; per ICMATE: M. Viviani, S. Massardo, S. Presto

 – Sono stati sviluppati elettroliti a base di BCZYYb di stechiometria 7111 (BaCe_0.7Zr_0.1Y_0.1Yb_0.1O_3-δ) e 4411 (BaCe_0.4Zr_0.4Y_0.1Yb_0.1O_3-δ) per lo sviluppo di celle protoniche.

– Sono state prodotte celle a bottone ed a larga area (25 cm²) aventi elettrodo Sr_0.9Ce_0.1Fe_0.9Al_0.1O₃ (SCFA10) (ISMN)  da impiegare per la realizzazione e il testing di un mini stack.

Figura 3

Schema della la sintesi di polveri elettrolitiche a base di BCZYYb a) e per la produzione delle rSOCs b)

RISULTATI –

 – Per la produzione di BCZYYb sono state utilizzate diverse metodologie di sintesi (SSRS= solid state reactive sintering, LEM= low energy milling, HEM= high energy milling, MSG= modified sol gel) attenendo fasi pure solo con MSG.

– Mediante le polveri sintetizzate con i vari metodi sono stati prodotti elettroliti integri; solo gli elettroliti prodotti mediante metodi HEM e MSG presentano livelli di densità adeguati, mentre solo gli elettroliti MSG presentano livelli di purezza elevati.

– La composizione BCZYYb 7111 presenta conducibilità fino ai 14 mS/cm.

Figura 4

Risultati

RISULTATI – Per ISSMC: A. Gondolini, E. Mercadelli, A. Bartoletti, A. Sanson;

 – Sono stati prodotti inchiostri a partire dalle polveri di Sr_0.9Ce_0.1Fe_0.9Al_0.1O₃ (SCFA10) che mostrano proprietà reologiche idonee all’applicazione tramite serigrafia.

– Sono state realizzate rSOC di diametro 2 cm e 5×5 cm depositando per via serigrafica l’inchiostro dell’elettrodo ad aria sulla superficie densa di semicelle elettrodo a combustibile supportate a base di YSZ-NiO/YSZ aventi uno strato barriera di GDC.

Figura 5

Risultati

RISULTATI – Per ITAE: G. Squadrito, M. Lo Faro, S. Vecino-Mantilla, S. Zignani

Sono state realizzate almeno tre celle a larga area da 25 cm² con resistenza ohmica complessiva inferiore a 0,15 Ω·cm² a 700 °C. Le celle sono state integrate in un ministack con materiale ferritico, rivestimento protettivo a spinello di manganese e sigillanti Thermiculite 866. I test reversibili a 700 °C hanno permesso di individuare gli effetti della distribuzione dei gas, delle resistenze di interfaccia e della posizione delle celle, fornendo indicazioni per il successivo miglioramento del prototipo.​

Figura 6

Fabbricazione, assemblaggio e testing​

Figura 7

E’ stato validato il funzionamento SOFC/SOEC e identificate le principali limitazioni diffusionali e di interfaccia

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