Fuel cell a ossidi solidi a conduzione protonica : analisi e simulazione

This thesis provides a broad overview of the most recent progresses obtained on the proton conducting oxides for fuel cell applications. In particular this work tries to analyse and compare the different strategies proposed to match high- proton conductivity with good chemical stability. Recently, an ever growing interest has been driven toward proton conducting ceramics, in particular perovskite- type oxides and these materials have been called high- temperature proton conductors (HTPCs). Among HTPCs, 〖BaCeO〗_3 – based oxides show the highest proton conductivity but also a low value of chemical stability. In comparison with cerates, 〖BaZrO〗_3- based oxides offer excellent chemical stability but, in the same time, the conductivity is 1 order of magnitude smaller than the conductivity of barium cerates pellets. The best solution is oriented to the preparation of solid solutions between doped barium cerate and barium zirconate to couple chemical stability and electrical conductivity. In this study, a 1D model is developed to investigate the transport and reaction in a SOFC-H fueled with syngas or syngas plus 〖CH〗_4. Parametric studies are conducted to examine the physical and chemical process in H-SOFC with a focus on how the operating parameters affect the performance. The model calculates internal profile of temperature, flow composition, current density and cell energy balance.

Il lavoro di tesi in esame ha come obiettivo l’analisi e la simulazione di una fuel cell a ossidi solidi a conduzione protonica. Nello specifico, dopo la presentazione della tecnologia in esame, sono state riportate le relazioni necessarie per lo studio delle performance utili per la successiva scelta dei materiali elettrolitici HTPCs idonei alla conduzione protonica. In questa fase, è stata data particolare attenzione alla formazione e stabilità dei difetti protonici e alla loro mobilità. Tra la classe delle perovskiti, i materiali sui quali è stata focalizzata l’attenzione sono il cerato di bario e lo zirconato di bario: nel dettaglio, analizzando pregi e difetti, sono state definite possibili soluzioni alle problematiche che si verificano durante il loro utilizzo. Per quanto riguarda il cerato di bario, una possibile soluzione per l’aumento della stabilità chimica consiste nel co-dopaggio mentre nel caso dello zirconato di bario l’attenzione è stata concentrata sull’aumento della conduttività protonica. A conclusione di questa analisi, la soluzione predominante allo stato dell’arte per l’ottimizzazione del materiale prevede l’unione dei due droganti in un unico elettrolita. Al fine di determinare le prestazioni di una cella al variare della composizione di fuel, è stata sviluppata una simulazione 1D tramite l’utilizzo del software Matlab; definendo così l’andamento della densità di corrente, il profilo di temperatura, la potenza elettrica e il rendimento.