Metal-supported Solid Oxide Fuel Cell (MS-SOFC) provides significant advantages over conventional ceramic including reduction in cost, ruggedness, and tolerance to rapid thermal cycling and redox cycling. Many materials have been recently investigated for use as metal supports for SOFC and are typically either nickel or iron based. In order to improve the mechanical strength and the creep resistance of the substrate, trace levels of Mo, Ti and Y2O3 are generally added to the metal composition. In particular, the addition of Al can improve the oxidation resistance by forming an Al2O3 scale at the surface of the metal that dramatically increases the lifetime of the cell at temperatures below 650°C. Despite the recent progresses in the MS-SOFC production, the power density of these cells remained mediocre compared to the anode supported ones and the problems due to the metal degradation and cations interdiffusion between anode and metal substrate are still unsolved. One further issue for the development and the commercialization of the MS-SOFC is the integration of the ceramic layers onto a metal substrate using cheaper and easily scalable manufacturing techniques. In this work an innovative metal supported half-cell have been developed and characterized. The use of the metallic substrate is thought to give the structural stability to the entire cell improving at the same time its flexibility but also contributing to the current collection. This composite anode current collector is a Al-Cr-metal foam pre-oxidized to form a protecting Al2O3 layer and impregnated with a Ni-based cermet to regain the necessary ionic/electronic conductivity. A NiO-based anode was also produced to reduce the sponge roughness at the lowest level necessary to deposit a dense YSZ electrolyte. This functional layer was screen- or stencil- printed using different ink compositions to produce engineered gradients either of porosity or composition. Two different conventional half-cells were also produced in order to optimize the formulations and the parameters for the anode and electrolyte deposition.
Le celle a combustibile ad ossidi solidi (MS-SOFC) sono particolarmente vantaggiose rispetto alle celle ceramiche convenzionali grazie al loro costo inferiore, maggiore robustezza e tolleranza ai rapidi cicli termici e redox. Molti materiali recentemente investigati per essere utilizzati come supporti metallici per SOFC sono tipicamente a base di nickel e ferro. Per aumentare la resistenza meccanica e quella al creep di questi substrati, tracce di Mo, Ti e Y2O3 sono generalmente aggiunte alla composizione metallica. Più precisamente, l'aggiunta di Al può migliorare la resistenza all'ossidazione formando uno strato di Al2O3 sulla superficie della spugna che aumenta drasticamente il tempo di vita della celle a temperature al di sotto dei 650°C. Nonostante i recenti progressi nella produzione di MS-SOFC, la densità di potenza di queste celle rimane mediocre rispetto a quella riscontrata per le anodo supportate a causa della degradazione del metallo e dell'interdiffusione cationica tra anodo e substrato. Un'ulteriore problematica riscontrata nello sviluppo e nella commercializzazione di questi sistemi è l'integrazione degli strati ceramici sul metallo mediante l'utilizzo di tecnologie economiche e facilmente scalabili a livello industriale. Lo scopo di questo lavoro è stato l'ottenimento e la caratterizzazione di un'innovativa semicella metallo supportata. Il supporto metallico funge da collettore di corrente e conferisce stabilità strutturale all'intera cella migliorandone, allo stesso tempo, la flessibilità. Questo collettore di corrente anodico è una spugna metallica a base di Al e Cr pre-ossidata al fine di formare un layer di Al2O3 protettivo, e impregnata con un cermet a base di Ni per ri-conferire la necessaria conduttività ionica-elettronica alla struttura. E' stato inoltre prodotto un anodo a base di NiO al fine di ridurre la rugosità della spugna al più basso livello necessario per depositare un elettrolita di YSZ denso. Questo layer anodico funzionale è stato depositato mediante serigrafia o stencil utilizzando diverse composizioni di inchiostro per produrre gradienti ingegnerizzati di composizione e porosità. Sono state inoltre prodotte due diverse semicelle convenzionali per ottimizzare le formulazioni ed i parametri utilizzati per la deposizione di anodi ed elettroliti.
Cella a Combustibile ad Ossidi Solidi Integrata su Spugna Metallica
A Gondolini;E Mercadelli;A Sanson
2015
Abstract
Metal-supported Solid Oxide Fuel Cell (MS-SOFC) provides significant advantages over conventional ceramic including reduction in cost, ruggedness, and tolerance to rapid thermal cycling and redox cycling. Many materials have been recently investigated for use as metal supports for SOFC and are typically either nickel or iron based. In order to improve the mechanical strength and the creep resistance of the substrate, trace levels of Mo, Ti and Y2O3 are generally added to the metal composition. In particular, the addition of Al can improve the oxidation resistance by forming an Al2O3 scale at the surface of the metal that dramatically increases the lifetime of the cell at temperatures below 650°C. Despite the recent progresses in the MS-SOFC production, the power density of these cells remained mediocre compared to the anode supported ones and the problems due to the metal degradation and cations interdiffusion between anode and metal substrate are still unsolved. One further issue for the development and the commercialization of the MS-SOFC is the integration of the ceramic layers onto a metal substrate using cheaper and easily scalable manufacturing techniques. In this work an innovative metal supported half-cell have been developed and characterized. The use of the metallic substrate is thought to give the structural stability to the entire cell improving at the same time its flexibility but also contributing to the current collection. This composite anode current collector is a Al-Cr-metal foam pre-oxidized to form a protecting Al2O3 layer and impregnated with a Ni-based cermet to regain the necessary ionic/electronic conductivity. A NiO-based anode was also produced to reduce the sponge roughness at the lowest level necessary to deposit a dense YSZ electrolyte. This functional layer was screen- or stencil- printed using different ink compositions to produce engineered gradients either of porosity or composition. Two different conventional half-cells were also produced in order to optimize the formulations and the parameters for the anode and electrolyte deposition.I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
