Analisi di modello di SOFC alimentate con gas di sintesi

The success of the SOFC technology requires the cell to work with pure fuels, as well as with mixtures (syngas and biogas). The experimental efforts must be accompanied by numerical tools able to predict the cell performance and to quantify the contributions of the different chemical, electrochemical and physical phenomena that take place in the electrodes. In this work, a mathematical model is validated, for the simulation of button SOFCs fed with H2, CO and syngas, either pure or mixed with CO2, N2 or He. The model is one-dimensional, dynamic, heterogeneous and isothermal, and allows to simulate the cell voltage as a function of the current density, the temperature, the pressure and the feed composition. Both polarization curves and impedance spectra can be simulated. The gas diffusion in the electrodes is described via the Dusty Gas Model. The reaction scheme considered includes the electrochemical oxidation of H2 and CO at the electrolyte/electrode interfaces, and the Water Gas Shift reaction in the anode. The occurrence of parallel electro-oxidation of CO and H2 has been also included. Kinetics are taken into account with global equations. The model was verified on the basis of literature data from traditional Ni/YSZ SOFC. The results confirm that the traditional YSZ-based cell activates preferentially the H2 electro-oxidation reaction, excluding the parallel electro-oxidation of CO. The model was extended to the analysis of experimental data obtained over IT-SOFC of the type Pd-Cu-CZ80/SDC/LSCF. Polarization curves and EIS spectra measured in the presence of H2/N2, CO/CO2 and H2/CO mixtures were analyzed. The EIS spectra and the polarization curves obtained with H2/N2 and CO/CO2 mixtures were applied for the derivation of power-law type kinetics for the reactions of CO oxidation, H2 oxidation and O2 reduction. In the case of H2/CO mixtures, the numerical results suggest that the electro-oxidation of CO is active in the presence of the H2 electro-oxidation.

La diffusione della tecnologia SOFC richiede lo sviluppo di celle funzionanti sia con combustibili puri che in miscela (gas di sintesi e biogas). La ricerca sperimentale va accompagnata da modelli numerici in grado di predire le prestazioni di cella e quantificare i contributi dovuti ai diversi fenomeni chimici e fisici aventi luogo negli elettrodi. In questo lavoro di tesi, viene convalidato un modello numerico che simula il funzionamento di celle SOFC a bottone con alimentazione di H2, CO e gas di sintesi, puri o in miscela con N2, He o CO2. Il modello è dinamico, monodimensionale, eterogeneo e isotermo e permette di descrivere l’andamento del potenziale di cella al variare della densità di corrente, della temperatura, della pressione e della composizione di alimentazione, sia nel caso di curve di polarizzazione, sia nel caso di spettri di impedenza EIS. La diffusione dei gas all’interno degli elettrodi porosi è descritta attraverso il modello Dusty Gas. I processi anodici considerati comprendono le reazioni elettrochimiche di ossidazione di H2 e CO e la reazione catalitica di Water Gas Shift, quantificati attraverso equazioni cinetiche globali. Nel modello è stata inserita la possibilità di considerare che le reazioni di H2 e CO avvengano in maniera concomitante e parallela. Il modello è stato verificato sulla base di dati di riferimento in letteratura per celle tradizionali con anodi di tipo Ni/YSZ ed elettroliti YSZ: è risultato che questi sistemi attivano preferenzialmente la reazione di ossidazione di H2. Il modello è stato esteso all’analisi di dati ottenuti in laboratorio su celle IT-SOFC di tipo Pd-Cu- CZ80/SDC/LSCF supportate all’elettrolita. Sono state analizzate curve di polarizzazione e impedenza misurate in presenza di miscele H2/N2, CO/CO2 e H2/CO. Sulla base dei dati EIS e di polarizzazione dei sistemi H2/N2 e CO/CO2 sono state derivate equazioni cinetiche power-law per le reazioni di elettro-ossidazione di H2 e CO e di riduzione di O2. Nel caso delle miscele H2/CO, l’analisi numerica indica che la reazione di elettro-ossidazione di CO è attiva anche in presenza di quella di ossidazione di H2.