Performance evaluation and numerical analysis of applicative-size solid oxide fuel cells operated with CO2-rich cathodic atmospheres for innovative power production cycles

The growing awareness of the environmental impact of traditional energy sources makes the search for cleaner and more sustainable energy production technologies indispensable. Addressing this challenge, the Politecnico di Milano has developed and patented the SOS-CO₂ cycle, an innovative hybrid energy system that combines a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) with a semi-closed supercritical CO₂ cycle. This system not only avoids CO₂ emissions but also achieves an impressive LHV efficiency of over 75%. The SOFC unit within the SOS-CO₂ cycle operates under unprecedented conditions, with the cathode being fed with a 21% O₂ / 79% CO₂ mixture. The primary aim of this thesis was to test the long-term performance and durability of industrial anode- supported SOFCs operating within the temperature range and cathodic feed compositions specific to the SOS-CO₂ cycle. For this purpose, two SOFCs, one with an LSC-based cathode and the other with an LNO-based cathode, were subjected to standardized tests to assess their durability and reversibility. Both cells exhibited performance degradation that proved to be only partially reversible. To gain deeper insights, DRT analysis was performed on the experimental data, revealing how the cell’s resistance was affected by CO₂ exposure. Additionally, XRD and TG-MS experiments were conducted on various perovskite powders to identify secondary phases formed through CO₂ interactions, such as carbonate species. Despite carbonate formation being observed exclusively for LSC, all tested materials showed weight increases that can be attributed to CO₂ adsorption, whose extent was correlated to the material specific oxygen vacancy concentration. The final part of this work focuses on a detailed model analysis of experimental data, which allowed to successfully quantify unknown experimental parameters and validate the kinetic parameters for both the anode and cathode derived from prior experiments.

La crescente consapevolezza degli effetti ambientali delle fonti energetiche tradizionali rende indispensabile la ricerca di tecnologie per la produzione di energia che siano più pulite e sostenibili. Nel fronteggiare questa sfida, il Politecnico di Milano ha sviluppato e brevettato il ciclo SOS-CO₂, un innovativo sistema energetico ibrido che combina una cella a combustibile a ossidi solidi (SOFC) con un ciclo supercritico a CO₂ semi-chiuso. Questo sistema non solo è in grado di catturare la CO₂ prodotta, ma raggiunge anche un’efficienza superiore al 75%. L'unità SOFC all'interno del ciclo SOS-CO₂ opera in condizioni senza precedenti, che prevedono un’alimentazione al catodo composta da una miscela al 21% di O₂ e al 79% di CO₂. Il principale obiettivo di questa tesi è stato testare le prestazioni a lungo termine e la durabilità di celle industriali anodo supportate nelle condizioni di temperatura e composizioni catodiche specifiche del ciclo SOS-CO₂. A tal fine, sono stati sottoposti a test standardizzati due tipi di SOFC, una montante un catodo a base di LSC e l'altra con catodo a base di LNO, con lo scopo di valutarne la durabilità e la reversibilità. Entrambe le celle hanno mostrato un degrado delle prestazioni, che si è rivelato solo parzialmente reversibile. Per approfondire ulteriormente questo aspetto, è stata eseguita un'analisi DRT sui dati sperimentali, che ha rivelato come la resistenza della cella sia stata influenzata dall'esposizione alla CO₂. Sono stati condotti inoltre esperimenti XRD e TG-MS su polveri di perovskiti diverse con l’obiettivo di identificare le fasi secondarie formatesi a seguito dell‘interazione con la CO₂, come ad esempio i carbonati. Sebbene la formazione di carbonati sia stata osservata esclusivamente per l’LSC, tutti i materiali testati hanno mostrato aumenti di peso attribuibili all'adsorbimento della CO₂, la cui entità è stata correlata alla concentrazione di vacanze di ossigeno specifica del materiale. L'ultima parte di questo lavoro è incentrata sulla modellazione di dati sperimentali, che ha permesso di quantificare con successo parametri sperimentali non noti e di validare le cinetiche anodiche e catodiche derivate da esperimenti precedenti.