Solid oxide fuel cells (SOFCs) are one of the most promising energy production devices due to their high efficiency, modularity, low emissions and the possibility to be directly fuelled with natural gas, GPL and alcohols. Presently, one of the major concerns associated with the utilization of these hydrocarbon fuels in SOFCs is associated with the anode compartment. Even though the commonly used Ni-based Cermet shows high catalytic activity towards hydrogen oxidation and electronic conductivity, it still faces high level of sintering, poor redox stability and high sensitivity towards carbon deposition and sulphur poisoning. Therefore, intensive efforts have been devoted to replace the traditional Ni-cermet with new compounds, in particular perovskite materials. In this context La doped SrTiO3 (LST) has received increasing attention in recent years due to its doping flexibility, good dimensional and chemical stability in redox cycling, Thermal Expansion Coefficient (TEC) comparable with that of ZrO2-based electrolyte, significantly high electronic conductivity, and its tolerance for sulfur poisoning and carbon deposition. As for the Ni-based materials, in order to enhance the electrochemical performance of LST, a composite anode with Gd or Sm-doped CeO2 (GDC or SDC) is generally considered. Aim of this work was the production by screen printing of SLT-GDC anodic layers with a microstructure suitable for SOFC application. For this purpose, ink compositions suitable for the screen printing process were firstly formulated and optimized to be deposited onto both side of YSZ pellets to produce symmetrical cells. To obtain a stable and homogeneous ink, different deflocculants were considered and tested to effectively disperse the ceramic SLT and GDC powders in the organic solvent. The rheological and thermal behaviors of the inks formulated were then carefully investigated. The screen printing parameters were finally optimized to produce symmetrical button cells with different layer thicknesses and the microstructure of the as-obtained sintered anodes were characterized through scanning electron microscopy.
Le celle a combustibile ad ossidi solidi (SOFC) sono uno dei dispositivi più promettenti per la produzione di energia grazie alla loro elevata efficienza, alla modularità, alle basse emissioni ed alla possibilità di essere direttamente alimentate da gas naturale, GPL e alcool. Attualmente, una delle maggiori problematiche nell'utilizzo di questi idrocarburi nelle SOFC è associata al compartimento anodico. Anche se i cermet a base di Ni, comunemente utilizzati per queste applicazioni, mostrano un'elevata attività catalitica nei confronti dell'ossidazione dell'idrogeno ed un'ottima conduttività elettronica, è ancora necessario fronteggiare problematiche come l'elevato livello di sinterizzazione, la scarsa stabilità redox e l'elevata sensibilità alla deposizione di carbonio e avvelenamento da zolfo di questo materiale. Per tali motivazioni, molti sforzi sono stati indirizzati alla sostituzione dei tradizionali cermet di nichel con nuovi composti, in particolare a base perovskitica. In questo contesto, il SrTiO3 dopato con La (LST) ha suscitato recentemente particolare interesse grazie alla flessibilità di dopaggio, alla buona stabilità chimica e dimensionale durante i cicli redox, al coefficiente di espansione termica (TEC) comparabile con quello degli elettroliti a base di ZrO2, all'elevata conducibilità, ed alla sua tolleranza all'avvelenamento da solfuro ed alla deposizione di carbonio. Al fine migliorare le performance elettrodiche, l'LST viene generalmente accoppiato con CeO2 dopato con Gd o Sm (GDC o SDC) per la produzione di anodi Nichel-free per applicazioni SOFC.Scopo di questa attività è stata la produzione mediante serigrafia di strati anodici a base di SLT-GDC con microstruttura adeguata per applicazioni SOFC. Per far ciò, sono state inizialmente prodotte ed ottimizzate diverse formulazioni di inchiostri serigrafici che sono stati successivamente depositati su entrambe le facce di pastiglie di YSZ per la produzione di celle simmetriche. Al fine di ottenere un inchiostro stabile ed omogeneo, sono stati inizialmente considerati diversi deflocculanti per disperdere efficacemente le polveri ceramiche di SLT e GDC nel solvente organico scelto. Per gli inchiostri prodotti, sono state valutate e studiate accuratamente sia le proprietà reologiche che termiche. Sono stati infine ottimizzati i parametri di deposizione per la produzione di celle simmetriche con strati anodici a spessori variabili e valutata la microstruttura dei films di LST-GDC mediante microscopia elettronica a scansione.
Studio ed Ottimizzazione di strati anodici a base di SLT-GDC per Celle a Combustibile ad Ossidi Solidi (SOFC)
A Gondolini;E Mercadelli;A Piancastelli;A Sanson
2015
Abstract
Solid oxide fuel cells (SOFCs) are one of the most promising energy production devices due to their high efficiency, modularity, low emissions and the possibility to be directly fuelled with natural gas, GPL and alcohols. Presently, one of the major concerns associated with the utilization of these hydrocarbon fuels in SOFCs is associated with the anode compartment. Even though the commonly used Ni-based Cermet shows high catalytic activity towards hydrogen oxidation and electronic conductivity, it still faces high level of sintering, poor redox stability and high sensitivity towards carbon deposition and sulphur poisoning. Therefore, intensive efforts have been devoted to replace the traditional Ni-cermet with new compounds, in particular perovskite materials. In this context La doped SrTiO3 (LST) has received increasing attention in recent years due to its doping flexibility, good dimensional and chemical stability in redox cycling, Thermal Expansion Coefficient (TEC) comparable with that of ZrO2-based electrolyte, significantly high electronic conductivity, and its tolerance for sulfur poisoning and carbon deposition. As for the Ni-based materials, in order to enhance the electrochemical performance of LST, a composite anode with Gd or Sm-doped CeO2 (GDC or SDC) is generally considered. Aim of this work was the production by screen printing of SLT-GDC anodic layers with a microstructure suitable for SOFC application. For this purpose, ink compositions suitable for the screen printing process were firstly formulated and optimized to be deposited onto both side of YSZ pellets to produce symmetrical cells. To obtain a stable and homogeneous ink, different deflocculants were considered and tested to effectively disperse the ceramic SLT and GDC powders in the organic solvent. The rheological and thermal behaviors of the inks formulated were then carefully investigated. The screen printing parameters were finally optimized to produce symmetrical button cells with different layer thicknesses and the microstructure of the as-obtained sintered anodes were characterized through scanning electron microscopy.I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
