Preparation, testing and model analysis of Ceria-based solid oxide fuell cells for applications at intermediate temperatures

This thesis work is focused on the experimental and numerical study of Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells (IT-SOFCs) with Ceria-based mixed ionic and electronic conducting electrolyte (MIEC). Target of the work is the preparation of complete cells, the characterization of the cell materials and the description the cell performance. The tested samples were realized through three different production processes: tape casting, die-pressing and a combination of the two methods. Cu-Ni-SDC/SDC/LSCF-GDC cells were adopted. In all the cases, the anode was prepared with the infiltration technique, by impregnation of the cell porous scaffold with a Copper-Nickel solution (80% Cu, 20% Ni on molar basis). A detailed characterization of the preparation procedure and on the morphology of the samples was carried out. The cells were tested with polarization curves and impedance curves realized at different temperatures (600°C, 650°C and 700°C) and at different hydrogen concentration in the anodic feed (20%, 40% and 100% H2). The activity of the composite LSCF-GDC cathode was studied with impedance curves performed at different temperatures (550°C – 700°C) and O2 concentrations (100 – 5%). In this way, the full picture of all the cell components was acquired. The results of the polarization tests and of the EIS tests on the cells revealed the significant impact of the leakage current in the electrolyte: different values of the ohmic resistance were measured in the EIS spectra at open cell voltage (OCV) and under load. This effect could be well rationalized based on the presence of the leakage current. The polarization curves were simulated with a numerical charge-distributed, stationary, isothermal and mono-dimensional model of the cell. The comparison between the experimental and simulated curves allowed for the estimation of important anodic and cathodic kinetic parameters.

Questo lavoro di tesi è dedicato allo studio sperimentale e numerico di celle a combustibile ad ossidi solidi per temperature intermedie (Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells, IT-SOFCs) con elettroliti a base di Ceria, materiale a conducibilità mista ionica ed elettronica (MIEC). L’obbiettivo della tesi è la preparazione di celle complete, la caratterizzazione dei materiali e la descrizione delle performance. I campioni testati sono stati realizzati tramite tre diversi processi di produzione: tape casting, pressatura e una terza metodologia che combina i due processi. Il lavoro sperimentale si è concentrato su celle Cu-Ni-SDC/SDC/LSCF-GDC. In tutti i casi, l’anodo è stato prodotto tramite tecnica dell’infiltrazione, che consiste nell’impregnazione dello strato poroso anodico dei campioni con una soluzione Rame-Nickel (80% Cu, 20% Ni su base molare). La procedura di preparazione e la morfologia delle celle sono state caratterizzate nel dettaglio. Tutti i campioni sono stati testati tramite curve di polarizzazione e curve di impedenza, condotte a diverse temperature (600°C, 650°C e 700°C) e a diverse concentrazioni di idrogeno nel flusso di gas anodico (20%, 40%, 100% H2). L’attività del catodo, un composito di LSCF e GDC, è stata studiata attraverso curve di impedenza condotte al variare della temperatura (fra 550°C e 700°C) e della concentrazione di ossigeno (5 – 100% O2). Attraverso l’analisi individuale del catodo e della cella, è stato possibile ottenere una panoramica completa della performance. I risultati degli esperimenti di polarizzazione e di impedenza hanno mostrato che la corrente di cortocircuito, caratteristica degli elettroliti di tipo MIEC, ha impatto significativo: la resistenza ohmica misurata tramite curve di impedenza sotto carico risulta più elevata rispetto a quella misurata in condizioni di circuito aperto (OCV, Open Cell Voltage) e di carico. Questo effetto è stato spiegato tramite la presenza della corrente di corto circuito. Le curve di polarizzazione sono state simulate con un modello di cella a carica distribuita, stazionario, isotermo e monodimensionale. Il confronto fra le curve simulate e quelle sperimentali ha permesso la stima di importanti parametri cinetici dell’anodo e del catodo.