Fast impedance modeling of intermediate temperature solid oxide fuel cells

A distributed-charge transfer, dynamic, 1D model of an IT-SOFC with a MIEC electrolyte is developed. A closed-form and physically-sound expression for the leakage current is included. The model equations are linearized and converted into the frequency domain for the computation of impedance spectra. This allows to move from a differential-algebraic system of equations into a simple linear algebraic system, where computation times are dramatically reduced. The decrease of the computation times permits the use of a regression routine for the experimental data fitting. The model is applied to simulate the experimental polarization curves and impedance spectra collected on an IT-SOFC consisting of Cu-Pd-CZ80 infiltrated anodes, SDC electrolytes and LSCF/GDC composite cathodes. Experimental data are provided for the electro-oxidation of H2 at 700°C for different H2 /N2 humidified mixture compositions. A good agreement between the model predictions and the experimental data is obtained by fitting the exchange current density and the double layer capacitance of each electrode. The model is able to predict the ohmic resistance shift as a function of the different inlet molar compositions of the anode, highlighting the crucial role played by the leakage current. The model is further applied to investigate the direct electro-oxidation of CO on IT-SOFCs anodes as a function of temperature. Additionally, the model performances are further improved by means of a DRT-based approach in order to account for time constant distribution.

Nel lavoro di tesi, è stato sviluppato un modello 1D a carica distribuita per celle IT-SOFC con elettrolita MIEC. Il modello include un’espressione analitica e fisicamente consistente per la descrizione della corrente di cortocircuito caratteristica dei MIEC. Le equazioni del modello sono state linearizzate e convertite nel dominio in frequenza al fine di calcolare gli spettri di impedenza. La linearizzazione ha permesso di passare da un sistema di equazioni differenziali algebriche a un sistema algebrico lineare, per la cui risoluzione il tempo richiesto è significativamente inferiore. La drastica diminuzione dei tempi di calcolo ha permesso l’utilizzo di una routine di regressione per il fitting dei dati sperimentali. Il modello è quindi stato utilizzato per la simulazione di curve di polarizzazione e spettri di impedenza provenienti da test sperimentali eseguiti su una cella IT-SOFC costituita da anodi infiltrati Cu-Pd-CZ80, elettrolita SDC e catodi compositi LSCF/GDC. I dati sperimentali riguardano esperimenti di elettro-ossidazione di H2 a 700°C con miscele H2/N2 umidificate a differenti concentrazioni di H2. Un buon accordo tra le previsioni del modello e i dati sperimentali è stato raggiunto attraverso il fitting dei valori delle correnti di scambio e delle capacità di doppio strato degli elettrodi. Il modello è in grado di predire la variazione della resistenza ohmica in funzione delle differenti composizioni molari delle miscele alimentate all’anodo, evidenziando il ruolo cruciale rappresentato dalla corrente di cortocircuito. Il modello è stato inoltre utilizzato per lo studio della elettro-ossidazione diretta di CO puro su anodi di celle IT-SOFC al variare della temperatura. Infine, le prestazioni del modello sono state ulteriormente migliorate per mezzo di un approccio basato sulla DRT, in grado di tenere conto della distribuzione delle costanti di tempo caratteristiche dei fenomeni in esame.