Sviluppo di materiali per celle a combustibile ad ossidi solidi e caratterizzazione delle loro proprietà elettriche

The present thesis regards materials to be used in intermediate temperatures solid oxides fuel cells (IT-SOFCs). In particular the following aspects have been investigated: Synthesis and characterization of perovskite oxide compounds of the series Sr2XMoO6 (X= Ni,Cu, Co), which could represent an attractive alternative to the conventional anodic material; Study of the performance of perovskite oxide compounds of the series MBaCo2O5+δ (M = Y, La) as potential cathode materials; Tuning of experimental set up for the characterization of the electrical properties of the above materials. As far as the first point is concerned, the Sr2XMoO6 powders were prepared by solid-state reactions at high temperature in air. The phase composition and structures of the obtained powders were characterized via X-ray powder diffraction (XRPD) and scanning electron microscopy (SEM). These observations indicate that the crystal structures of the species are in agreement with previous literature reports for the same compounds, despite SEM analysis point out a defect of molybdenum inside the samples, especially for the Sr2CuMoO6 one. In order to test the behavior of MBaCo2O5+δ as cathodes for IT-SOFC applications, the electrical conductivity of the mentioned compounds was determined and analyzed as a function of temperature. The experiments were carried out on sintered pellets, by applying an input current and measuring the output voltage. Finally, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) tests were carried out to estimate the conductivity of the following electrolytes: pellets fabricated using commercial La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ powders (LSGM); commercial disks made of yttria-stabilized zirconia (YSZ). The purpose of the EIS experiments consisted in tuning a correct procedure for the characterization of the electrical properties of materials for fuel cells.

Il presente lavoro si prefigge di analizzare differenti proprietà di materiali da utilizzarsi come componenti nella produzione di celle a combustibile ad ossidi solidi, con particolare riferimento alle applicazioni a temperature intermedie (IT-SOFC). A tal proposito sono stati studiati i seguenti aspetti: sintesi e caratterizzazione di ossidi a struttura perovskitica, appartenenti alla serie Sr2XMoO6 (X= Ni, Cu, Co), i quali potrebbero rappresentare una valida alternativa ai materiali anodici convenzionali; prestazioni di potenziali materiali catodici costituiti da ossidi a struttura perovskitica, appartenenti alla serie MBaCo2O5+δ (M = Y, La); messa a punto di tecniche sperimentali per la caratterizzazione delle proprietà elettriche. Per quanto concerne il primo punto, le polveri di Sr2XMoO6 sono state preparate tramite reazioni allo stato solido in aria. Successivamente la composizione di fase e le strutture polveri ottenute sono state caratterizzate attraverso analisi di diffrazione a raggi X di polveri (X-Ray Powder Diffraction, XRPD) e microscopia ottica a scansione (Scanning Electron Microscopy, SEM). Le osservazioni indicano che le strutture cristalline delle specie sono in accordo con quelle riportate in letteratura relativamente ai medesimi composti, nonostante le analisi SEM evidenzino un difetto di molibdeno nei campioni, soprattutto per Sr2CuMoO6. Al fine di testare il comportamento dei composti MBaCo2O5+δ come catodi per applicazioni IT-SOFC, ne è stata determinata la conducibilità elettrica in funzione della temperatura. Gli esperimenti sono stati condotti su pellet sinterizzati, applicando una corrente in ingresso e misurando il voltaggio in uscita. Infine sono stati effettuati esperimenti di spettroscopia d’impedenza elettrochimica (electrochemical impedance spectroscopy, EIS), con lo scopo di stimare la conducibilità dei seguenti elettroliti: pellet fabbricati a partire da polveri di La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ (LSGM) commerciale; dischetti di yttria-stabilized zirconia (YSZ), anch’essi commerciali. L’obiettivo di quest’ultime sperimentazioni consiste nella messa a punto di una corretta procedura di misura finalizzata alla caratterizzazione delle proprietà elettriche dei materiali per celle a combustibile.