I sistemi attualmente utilizzati per la produzione di energia elettrica sono basati sulla combustione di combustibili fossili, i quali hanno lo svantaggio di provocare notevoli problemi ambientali: particolato nell’aria, emissioni di gas acidi ed emissione di gas serra; allo stesso tempo, la necessità di produrre energia elettrica ed il trasporto di beni e persone sono alla base della vita moderna. Questi due aspetti sono fortemente correlati al consumo globale di energia. L’aumento della richiesta di energia e l’emergente crisi energetica pongono la questione su un utilizzo più efficiente dell’energia nel rispetto dell’ambiente in cui viviamo. Un urgente e continuo problema del 21° secolo sarà come sfruttare al meglio le risorse di energia e come diminuire l'emissione di CO2. In altre parole, il problema riguarda la diminuzione del consumo massiccio di energia in paesi fortemente industrializzati e la costruzione di un “sistema” per la produzione di energia, più avanzato e più efficiente, nei paesi in via di sviluppo. Ciò può essere riassunto dalla frase ‘‘tecnologie ad alta efficienza per la generazione di energia elettrica e per il trasporto”. Le celle a combustibile ad ossidi solidi, SOFCs, sono dei sistemi piuttosto promettenti per la conversione di energia e rappresentano una tecnologia che potrebbe risolvere alcuni problemi ambientali; allo stesso tempo, essi possono tenere a freno il consumo di risorse ed offrire nuove opportunità di lavoro. Ci si aspetta che le SOFC nei prossimi decenni, giocheranno un ruolo notevole nella generazione stazionaria di energia così come nei sistemi di trasporto. Le celle a combustibile ad ossidi solidi attualmente stanno suscitando un notevole interesse per la potenzialità di migliorare l’efficienza di conversione di energia, per l'affidabilità e la sicurezza che mostrano e per il ridotto impatto ambientale che causano. Allo stesso tempo, la flessibilità nella scelta del combustibile rappresenta uno dei vantaggi più significativi delle SOFCs rispetto alle altre tipologie di celle a combustibile esistenti. Il principale ostacolo alla commercializzazione delle SOFCs riguarda gli elevati costi che sono il risultato dell'uso di temperature di esercizio piuttosto alte e l’uso di materiali ceramici relativamente costosi. Per queste ragioni, esiste un interesse considerevole nell'abbassare la temperatura di funzionamento dagli attuali 950°C a 700-800°C; questo comporterebbe una riduzione del costo degli interconnettori, del manifold e del materiale sigillante, oltre ad attenuare i problemi di sintering del catalizzatore che provocano una perdita di attività nel corso del tempo. Sebbene significativi progressi siano stati fatti nello sviluppo di materiali con una migliorata conducibilità ionica ed elettronica e nella messa a punto di tecniche per la fabbricazione a basso costo di elettroliti sottili, le performance a temperature più basse rimangono seriamente limitate dalla resistenza di polarizzazione che si manifesta all’ interfaccia catodo/elettrolita. Il miglioramento di quest’ultimo aspetto è uno degli obiettivi delle ricerca corrente. Soprattutto, essa è mirata al miglioramento del design delle celle, con la realizzazione di elettrodi porosi e nano strutturati che massimizzino l’estensione della zona trifasica (TPB-Triple Phase Boundary), la quale ha origine per combinazione simultanea del conduttore ionico, elettronico e dell’O2 in fase gas. Questo è un aspetto di fondamentale importanza nel campo delle celle a combustibile ed in particolare per quelle ad ossidi solidi. Nonostante ciò, resta una considerevole quantità di lavoro da fare per studiare nuovi catalizzatori anodici in grado di operare opportunamente anche in presenza di un largo spettro di combustibili idrocarburici e che nello stesso tempo mostrino buone performance nel tempo ed ai cicli redox. Questo lavoro di tesi ha per oggetto lo sviluppo di catalizzatori anodi ed in particolare allo studio dell’ossidazione diretta di idrocarburi a temperature intermedie. Veduta d'insieme dei Capitoli La tesi inizia con un capitolo relativo allo stato dell’arte delle SOFCs. In questo capitolo si illustrano i risultati che la ricerca ha raggiunto in quest’ambito. Il capitolo 3 dà le basi teoriche per il funzionamento e le condizioni di lavoro di una SOFC, includendo gli aspetti termodinamici e cinetici che influenzano le prestazioni di una SOFC. Questo capitolo tratta i concetti fondamentali delle celle a combustibile con particolare riguardo ai processi chimici ed elettrochimici che si hanno nelle condizioni di lavoro. La descrizione del lavoro sperimentale, i risultati e la discussione sono presentati nel capitolo 4. In questo capitolo, sono stati presi in considerazioni i fattori legati alla scelta dei materiali, le proprietà catalitiche e le caratteristiche elettrochimiche di celle SOFCs.

Lo Faro, M. (2008). Sviluppo e caratterizzazione di materiali ceramici per l'ossidazione diretta di idrocarburi in celle a combustibile ad ossidi solidi operanti a temperature intermedie.

Sviluppo e caratterizzazione di materiali ceramici per l'ossidazione diretta di idrocarburi in celle a combustibile ad ossidi solidi operanti a temperature intermedie

2008-05-12T10:18:44Z

Abstract

I sistemi attualmente utilizzati per la produzione di energia elettrica sono basati sulla combustione di combustibili fossili, i quali hanno lo svantaggio di provocare notevoli problemi ambientali: particolato nell’aria, emissioni di gas acidi ed emissione di gas serra; allo stesso tempo, la necessità di produrre energia elettrica ed il trasporto di beni e persone sono alla base della vita moderna. Questi due aspetti sono fortemente correlati al consumo globale di energia. L’aumento della richiesta di energia e l’emergente crisi energetica pongono la questione su un utilizzo più efficiente dell’energia nel rispetto dell’ambiente in cui viviamo. Un urgente e continuo problema del 21° secolo sarà come sfruttare al meglio le risorse di energia e come diminuire l'emissione di CO2. In altre parole, il problema riguarda la diminuzione del consumo massiccio di energia in paesi fortemente industrializzati e la costruzione di un “sistema” per la produzione di energia, più avanzato e più efficiente, nei paesi in via di sviluppo. Ciò può essere riassunto dalla frase ‘‘tecnologie ad alta efficienza per la generazione di energia elettrica e per il trasporto”. Le celle a combustibile ad ossidi solidi, SOFCs, sono dei sistemi piuttosto promettenti per la conversione di energia e rappresentano una tecnologia che potrebbe risolvere alcuni problemi ambientali; allo stesso tempo, essi possono tenere a freno il consumo di risorse ed offrire nuove opportunità di lavoro. Ci si aspetta che le SOFC nei prossimi decenni, giocheranno un ruolo notevole nella generazione stazionaria di energia così come nei sistemi di trasporto. Le celle a combustibile ad ossidi solidi attualmente stanno suscitando un notevole interesse per la potenzialità di migliorare l’efficienza di conversione di energia, per l'affidabilità e la sicurezza che mostrano e per il ridotto impatto ambientale che causano. Allo stesso tempo, la flessibilità nella scelta del combustibile rappresenta uno dei vantaggi più significativi delle SOFCs rispetto alle altre tipologie di celle a combustibile esistenti. Il principale ostacolo alla commercializzazione delle SOFCs riguarda gli elevati costi che sono il risultato dell'uso di temperature di esercizio piuttosto alte e l’uso di materiali ceramici relativamente costosi. Per queste ragioni, esiste un interesse considerevole nell'abbassare la temperatura di funzionamento dagli attuali 950°C a 700-800°C; questo comporterebbe una riduzione del costo degli interconnettori, del manifold e del materiale sigillante, oltre ad attenuare i problemi di sintering del catalizzatore che provocano una perdita di attività nel corso del tempo. Sebbene significativi progressi siano stati fatti nello sviluppo di materiali con una migliorata conducibilità ionica ed elettronica e nella messa a punto di tecniche per la fabbricazione a basso costo di elettroliti sottili, le performance a temperature più basse rimangono seriamente limitate dalla resistenza di polarizzazione che si manifesta all’ interfaccia catodo/elettrolita. Il miglioramento di quest’ultimo aspetto è uno degli obiettivi delle ricerca corrente. Soprattutto, essa è mirata al miglioramento del design delle celle, con la realizzazione di elettrodi porosi e nano strutturati che massimizzino l’estensione della zona trifasica (TPB-Triple Phase Boundary), la quale ha origine per combinazione simultanea del conduttore ionico, elettronico e dell’O2 in fase gas. Questo è un aspetto di fondamentale importanza nel campo delle celle a combustibile ed in particolare per quelle ad ossidi solidi. Nonostante ciò, resta una considerevole quantità di lavoro da fare per studiare nuovi catalizzatori anodici in grado di operare opportunamente anche in presenza di un largo spettro di combustibili idrocarburici e che nello stesso tempo mostrino buone performance nel tempo ed ai cicli redox. Questo lavoro di tesi ha per oggetto lo sviluppo di catalizzatori anodi ed in particolare allo studio dell’ossidazione diretta di idrocarburi a temperature intermedie. Veduta d'insieme dei Capitoli La tesi inizia con un capitolo relativo allo stato dell’arte delle SOFCs. In questo capitolo si illustrano i risultati che la ricerca ha raggiunto in quest’ambito. Il capitolo 3 dà le basi teoriche per il funzionamento e le condizioni di lavoro di una SOFC, includendo gli aspetti termodinamici e cinetici che influenzano le prestazioni di una SOFC. Questo capitolo tratta i concetti fondamentali delle celle a combustibile con particolare riguardo ai processi chimici ed elettrochimici che si hanno nelle condizioni di lavoro. La descrizione del lavoro sperimentale, i risultati e la discussione sono presentati nel capitolo 4. In questo capitolo, sono stati presi in considerazioni i fattori legati alla scelta dei materiali, le proprietà catalitiche e le caratteristiche elettrochimiche di celle SOFCs.
A.A. 2007/2008
intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs)
propane electro-oxidation
LSCF
CGO
en
Tesi di dottorato
Lo Faro, M. (2008). Sviluppo e caratterizzazione di materiali ceramici per l'ossidazione diretta di idrocarburi in celle a combustibile ad ossidi solidi operanti a temperature intermedie.
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