Author: Barison Simona ; Type of thesis: Master Thesis
Abstract: Tra i sistemi attuali di conversione dell’energia con basso impatto ambientale, le celle a combustibile sono tra quelli che destano il maggiore interesse. Ipotizzate dal fisico inglese William Grove sin dalla fine dell’800, vennero realizzate per la prima volta nel 1959. Tuttavia, solo negli ultimi anni la ricerca in questo settore ha avuto una straordinaria crescita in campo automobilistico, per dispositivi portatili, per impianti elettrici domestici o per grandi centrali elettriche. Tale sviluppo è giustificato dal sempre maggiore interesse per le problematiche ambientali e dal notevole miglioramento tecnologico nel settore dei materiali, che ha portato ad avere celle a combustibile con efficienze e stabilità termiche e meccaniche decisamente più elevate a costi minori e per cui è possibile ipotizzare uno sviluppo commerciale di questi dispositivi in tempi relativamente brevi. Tra i vari tipi di celle a combustibile, le celle ad ossido solido (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) sono in fase di sviluppo per applicazioni stazionarie quali piccole centraline elettriche o grandi impianti e i primi prototipi sono già stati testati con successo. Tali dispositivi, però, necessitano di temperature
di esercizio molto elevate (800 ÷ 1000°C) e quindi di materiali elettrodici, elettrolitici e di interconnessioni metalliche che resistano a tali temperature. Ciò comporta costi notevoli per l’impianto e, in vista di una loro potenziale commercializzazione, si è reso quindi necessario lo sviluppo di nuovi materiali per abbassare le temperature a valori attorno a 500 ÷ 800°C, ovvero nel range di temperature definite “intermedie” (IT-SOFC, Intermediate Temperature SOFC). L’istituto IENI (Istituto per l’Energetica e le Interfasi) del CNR di Padova, in cui questo lavoro di tesi è stato svolto, è attualmente coinvolto, assieme ad altri istituti del CNR, quali l’ITAE (Istituto di Tecnologie Avanzate per l’Energia) di Messina e l’ISTEC (Istituto di Scienza e Tecnologia dei materiali Ceramici) di Faenza, ad istituti universitari e ad aziende italiane, in alcuni progetti che promuovono in ambito nazionale lo sviluppo di sistemi SOFC basati su tecnologia italiana ed hanno come obiettivi la sintesi di materiali innovativi e la realizzazione di stack SOFC (circa 500 W) operanti a temperature intermedie, oltre al testing di stack commerciali. Nell’ambito di questi progetti, il gruppo di ricerca in cui questa attività è stata svolta ha orientato le indagini verso la deposizione mediante PVD (Physical Vapor Deposition) di film elettrolitici a base di ceria drogata con gadolinia (Gadolinia Doped Ceria, GDC) su anodo supportante. La GDC è, infatti, nota come materiale elettrolitico avente buona conducibilità ionica (10-4 ÷ 10-2 S cm-1) nel range di temperaturacompreso tra 400 e 650°C. In questa configurazione di cella si è deciso di impiegare un anodo supportante costituito da un cermet Ni-YSZ, ovvero un composito ceramica-metallo a base di nichel metallico e ossido di zirconio stabilizzato con un 8% molare di ossido di ittrio (Yttria Stabilized Zirconia, YSZ). Tale anodo è attualmente uno dei più studiati perché presenta un’ottima stabilità meccanica anche a temperature elevate ed è quindi in grado di supportare meccanicamente la cella, oltre ad avere le caratteristiche richieste di conducibilità ionica ed elettronica alle temperature di esercizio. Inoltre, pur essendo allo studio l’impiego di anodi Ni-GDC, chimicamente compatibili con l’elettrolita a base di GDC, tali cermet hanno caratteristiche meccaniche inferiori a quelli a base di YSZ e mostrano alcune problematiche nell’ambiente anodico riducente per la parziale riduzione del Ce(IV) a Ce(III).
Perciò, volendo utilizzare come elettrolita la GDC su anodi a base di YSZ, alcuni autori riportano che ad alte temperature la ceria reagisce con la zirconia per formare un film interfacciale isolante, che causa una caduta di potenziale all’interfaccia anodo/elettrolita. Inoltre, l’anodo è molto poroso e, durante