Reversible molten carbonate fuel cells (RMCFCs) are promising for integration with biomass gasification systems, enabling flexible electricity generation and chemical energy storage, thereby enhancing grid stability and energy security. However, biomass-derived product gases introduce gas-phase reactions coupled with electrochemistry, and their impact on RMCFC performance remains insufficiently understood.

This thesis aims to investigate the effect of product gases on RMCFC operation through lab-scale button-cell experiments, electrode-level kinetic analysis, and numerical modelling. Stable and reversible operation is demonstrated with complex gas mixtures representing different gasification routes over operating conditions of 600–650 °C and 20–40 % inlet humidity.

Electrode-level analysis identifies exchange current densities and reaction orders, showing that apparent kinetics are governed by local gas compositions modified by steam reforming and water–gas shift reactions, rather than inlet compositions alone. The electrochemical reactions at the Ni hydrogen electrode remain reversible under these conditions.

The results show that performance is strongly condition-dependent. Increasing temperature and humidity enhance hydrogen availability through gas-phase reactions, supporting electrochemical conversion, while at lower temperatures or limited humidity insufficient reforming leads to depletion of electroactive species and increased transport limitations.

A modelling framework predicts outlet gas compositions, showing that temperature, humidity, and current density control gas-phase equilibria and enable tuning towards electricity generation, hydrogen production, and syngas conditioning. 

Overall, this thesis establishes a mechanistic understanding of RMCFC operation with complex gas mixtures and identifies the coupled electrochemical–thermochemical processes governing performance.

Reversibla smältkarbonatbränsleceller (RMCFC) är lovande för integration med biomassaförgasningssystem, då de möjliggör flexibel elproduktion och kemisk energilagring, vilket bidrar till ökad nätstabilitet och energisäkerhet. Biomassabaserade produktgaser introducerar dock gasfasreaktioner som är kopplade till elektrokemin, och deras inverkan på RMCFC-prestanda är ännu inte tillräckligt förstådd.

I denna avhandling undersöks produktgasers inverkan på RMCFC-prestandan, genom experiment i s.k. knappcell, analys av elektrodkinetik samt numerisk modellering. Stabil och reversibel drift demonstreras med gasblandningar som representerar olika förgasningsprocesser och för driftsförhållanden på 600–650 °C och 20–40 % inloppsfuktighet.

Analys på elektrodnivå möjliggör bestämning av utbytesströmtätheter och reaktionsordningar, och visar att erhållna skenbara kinetiska parametrar styrs av lokala gassammansättningar modifierade av ångreformering och vatten-gas-skiftreaktioner, snarare än enbart av inloppsgasens sammansättning. De elektrokemiska reaktionerna vid Ni-vätgas-elektroden förblir reversibla under dessa förhållanden.

Resultaten visar att prestandan är starkt beroende av driftsförhållandena i RMCFC. Ökad temperatur och fuktighet förbättrar tillgången på vätgas genom gasfasreaktioner och bidrar därmed till den elektrokemiska omvandlingen, medan lägre temperaturer eller begränsad fuktighet leder till otillräcklig reformering, utarmning av elektrokemiskt aktiva komponenter och ökade transportbegränsningar.

Ett modelleringsramverk utvecklas för att förutsäga gassammansättning vid utloppet, och visar att temperatur, fuktighet och strömtäthet styr gasfasjämvikterna och möjliggör anpassning av drift mot elproduktion, vätgasproduktion och syntesgaskonditionering.

Sammanfattningsvis etablerar denna avhandling en mekanistisk förståelse av RMCFC-drift med komplexa gasblandningar och identifierar de kopplade elektrokemiska och termokemiska processer som styr prestandan.