Experimental analysis of high temperature solid oxide fuel cells operated under off-design conditions

An industrial application for the direct conversion of methane into small electrical power output has been considered. This could be of paramount importance when used to power the control instrumentation of gas pipelines in remote locations which cannot access the electrical grid. The methane is converted in a CPO reactor to produce a syngas mixture at low temperature, below the autoignition of chemical species of the final mixture. The syngas mixture is then sent as fuel to a solid oxide fuel cell (SOFC). The present work aimed at the experimental characterization of Ni-YSZ anode-supported SOFCs of industrial size fed with syngas mixtures and operated at low temperatures. The original setup underwent some slight modifications to ease the operations at low temperatures. The fuel cells have been tested with hydrogen at low and intermediate temperatures first, and then some durability tests were conducted at 550°C using two syngas mixtures of different composition. Based on thermodynamic calculations, the possibility of carbon formation on the cell's surface has been evaluated, while post-mortem analyses were conducted to look for the actual presence of carbon onto the anode of the cell after the experiments. It has been shown that its deposition can heavily reduce the cell’s performance until its complete deactivation and can be harmful to the whole plant. The thermodynamic calculations and the laboratory tests on the fuel cells suggested that by supplying the CPO with the recirculation of the anodic exhaust, carbon deposition could be avoided. Finally, a quasi 2D model has been used to rationalize the experimental data and to estimate the temperature profiles developed on the cell during operation.

Un’applicazione industriale per la conversione diretta di metano per produrre piccole potenze elettriche è stata presa in esame. Essa potrebbe di risultare di cruciale importanza per alimentare la strumentazione elettrica di gasdotti situati in posti remoti e nei quali l’accesso alla rete elettrica è molto difficoltoso. Il gas naturale è convertito in un reattore di CPO per produrre una miscela sintetica di gas a una temperatura inferiore a quella di auto ignizione delle specie che la compongono, ed è in seguito utilizzata come combustibile in una cella SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Il presente lavoro ha avuto come obiettivo la caratterizzazione sperimentale a bassa temperatura di una cella SOFC di dimensioni industriali con anodo di Ni-YSZ, alimentata con una miscela sintetica di gas. Il setup sperimentale originale ha subito delle leggere modifiche per poter facilitare la sperimentazione a basse temperature. Le celle sono state testate dapprima con idrogeno a temperature intermedie e basse, dopodiché alcuni test di durata sono stati condotti a una temperatura di 550°C utilizzando due miscele di gas con composizioni differenti. Sulla base di calcoli termodinamici è stata valutata la possibilità di formazione di carbonio solido sulla superficie della cella, mentre analisi post-mortem hanno valutato la presenza di tracce di nerofumo sull’anodo della cella alla fine degli esperimenti. È stato mostrato come la formazione di carbonio solido sull’anodo della cella riduce ne sensibilmente le prestazioni fino a disattivarla. I test in laboratorio hanno suggerito inoltre che operare il reattore di CPO con il ricircolo anodico potrebbe prevenire il pericolo di formazione di nerofumo. Infine, un modello quasi bidimensionale è stato utilizzato per razionalizzare i dati sperimentali e per stimare i gradienti termici sviluppati sulla cella.