Performance assessment of state-of-art SOFC cathodes operating with CO2-rich oxidant streams: an investigation on durability and kinetic effects

The recent years have been characterized by a thriving search for cleaner and more sustainable technologies in power production, aiming to achieve the ambitious goals set by the European Commission. In this broad and rapidly evolving framework, the Department of Energy of Politecnico di Milano has devised a cycle for blue power production, the so-called SOS-CO2 cycle. The Solid Oxide Semi Closed CO2 cycle essentially consists of a pressurized SOFC unit and a supercritical CO2 cycle. This innovative hybrid cycle can directly convert natural gas into electricity and efficiently capture the produced CO2. Leveraging the synergies of various components, the calculated LHV efficiency can reach values greater than 0.75. The SOFC operates under unconventional and unprecedented conditions in the literature: the anode is fed with a reformed mixture, while the cathode is supplied with a mixture composed of 21% O2 and 79% CO2. One of the main objectives of this thesis was to test industrial anode supported cells (ASCs), with particular attention to evaluating the obtained performance and the durability in long-term experimental campaigns under the conditions required by the SOS-CO2 cycle, namely at 700°C and 0.85 V. The choice of cathodic materials was of particular relevance. Consequently, two kinds of cells with different cathodic materials underwent durability tests: one with an LSCF-based cathode and the other with an LSM-based cathode, both provided by SolydEra. Furthermore, additional tests were conducted, including a DRT analysis and characterization of a symmetric cell, to investigate the processes and kinetics of the LSCF cathode. Both cells subjected to durability provided a stable power production under the various tested feeding conditions. Moreover, the supply of carbon dioxide to the cathode did not cause any irreversible phenomena. Under this concerning aspect, the cell with an LSM cathode proved not to be subject to any CO2-caused inhibition, thus emerging as one of the best candidates for the purpose of this project.

Gli ultimi anni hanno visto una crescente ricerca di tecnologie più pulite e sostenibili per la produzione di energia, mirando a raggiungere gli ambiziosi obiettivi stabiliti dalla Commissione Europea. In questo vasto e dinamico contesto, il Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano ha concepito un ciclo per la produzione di energia "blu" noto come ciclo SOS-CO2. Il ciclo SOS-CO2 è essenzialmente composto da un’unità SOFC pressurizzata e da un ciclo supercritico a CO2. Questo innovativo ciclo ibrido è in grado di convertire direttamente il gas naturale in elettricità e di catturare la CO2 prodotta in modo estremamente efficiente. Sfruttando le sinergie dei vari componenti, l'efficienza calcolata sulla base del PCI può raggiungere valori superiori a 0.75. La SOFC opera in condizioni non convenzionali e senza precedenti nella letteratura scientifica: l'anodo è alimentato da una miscela riformata, mentre il catodo è alimentato da una miscela composta da 21% O2 e 79% CO2. Uno degli obiettivi principali di questa tesi è stato testare celle industriali anodo supportate (ASC), con particolare attenzione alla valutazione delle prestazioni e della durabilità in campagne sperimentali di lunga durata nelle condizioni previste dal ciclo SOS-CO2, ovvero a 700°C e a 0.85 V. La selezione dei materiali catodici ha rivestito un ruolo cruciale. Di conseguenza, due tipologie di celle con diversi materiali catodici sono state sottoposte a prove di durabilità: una con catodo a base LSCF e l'altra con catodo a base LSM, entrambe fornite da SolydEra. Inoltre, sono state condotte prove aggiuntive, tra cui un'analisi DRT e una caratterizzazione di una cella simmetrica, per valutare i processi e la cinetica del catodo LSCF. Entrambe le celle sottoposte a durabilità hanno dimostrato prestazioni caratterizzate da una produzione di potenza stabile nelle diverse condizioni di alimentazione testate. Inoltre, l'alimentazione di anidride carbonica al catodo non ha causato alcun fenomeno irreversibile. In questo contesto, la cella con catodo a LSM ha dimostrato di non essere soggetta ad alcuna inibizione della CO2, emergendo come uno dei migliori candidati per il fine di questo progetto.