Development of novel current collectors for intermediate-temperature solid oxide cells

Solid oxide cells (SOC) represents a promising energy storage system that can work both in fuel cell mode, providing small-scale and flexible-power electricity, and in electrolysis mode, ensuring low-cost and efficient electricity storage as fuels. A key component of these electrochemical devices is the fuel-electrode. State-of-the-art SOCs use nickel as the active material of the fuel-electrode and they are usually electronically contacted by nickel mesh. The presence of Nickel is the cause of long-term performance degradation due to agglomeration, carbon deposition and other degradation mechanisms. Acceptor-doped ceria, which is a mixed ionic electronic conductor (MIEC), can be an alternative electrocatalyst in nano-scaled fuel-electrodes. In particular, the electrodes tested in this project are based on Gd- and Pr- doped ceria. The latter shows excellent performance both in oxidizing and reducing environment. However, these MIEC structures do not have enough electronic conductivity and this leads to electronic current collection issues. Indeed, in order to percolate the electrons through the electrode, it is necessary to add an electronically conductive material to the structure. Moreover, as a current collection layer (CCL) it would be preferable to use neither Ni, due to the abovementioned degradation issues, nor platinum (widely used in laboratory environment) due to the impossibility to scale up the production of such an expensive material. Therefore, developing an alternative current collector is a critical aspect. In this project, a valid alternative to the state-of-the-art current collection layers is explored. After demonstrating the excellent electrocatalytic activity of doped-ceria based fuel-electrodes, different configurations of CCLs implemented in this MIEC structure were tested. The materials investigated as CCL are the single perovskite strontium iron molybdenum oxide and the Inconel alloy. After preparing and testing electrochemical cells with these materials, an ex situ analysis through scanning electron microscope is performed to investigate the capability of the CCL to properly contact the electrode and the signs of the operation.

Le celle ad ossidi solidi (SOC) costituiscono un promettente sistema di accumulo capace di operare sia in modalità di cella a combustibile, realizzando un sistema flessibile e di piccola taglia per la produzione di elettricità, sia come elettrolizzatore, stoccando energia in maniera efficiente ed economica sotto forma di combustibile. Un elemento chiave di questo dispositivo elettrochimico è l’elettrodo del combustibile. Allo stato dell’arte, le SOC utilizzano nichel come componente attivo dell’elettrodo del combustibile, il quale si trova a contatto con griglie elettronicamente conduttive, generalmente anch’esse in nichel. La presenza del nichel determina una degradazione a lungo termine che si manifesta sotto forma di agglomerazione, deposito di carbonio e altri fenomeni degradativi. La ceria dopata, conduttore sia ionico che elettronico (MIEC), rappresenta un’alternativa come elettro-catalizzatore in elettrodi in scala nanometrica. In particolare, gli elettrodi studiati in questa tesi sono composti da ceria dopata con Gd o Pr. Quest’ultimo dopante assicura ottime prestazioni sia in ambiente ossidante che riducente. Tuttavia, i suddetti MIEC sono caratterizzati da una bassa conduttività elettronica, comportando problemi nella conduzione di corrente. Di conseguenza, al fine di condurre gli elettroni attraverso l’elettrodo, è necessario aggiungere un materiale elettronicamente conduttivo. Inoltre, nello strato di captazione di corrente (CCL) non possiamo utilizzare il nichel per via dei sopracitati problemi, così come il platino (largamente usato nei laboratori) in quanto elemento troppo costoso per essere prodotto su vasta scala. Risulta evidente come il progettare un CCL alternativo rappresenti una sfida difficile. In questa tesi, si esplorano ed analizzano valide alternative ai CCL dello stato dell’arte. Dopo aver dimostrato l’eccellente attività catalitica degli elettrodi in ceria dopata, sono stati implementati e testati diversi CCL. I materiali utilizzati nel CCL sono la perovskite SrFe0.75Mo0.25O3 e la lega Inconel. Dopo ogni attività viene svolta una analisi ex situ utilizzando il microscopio elettronico al fine di investigare l’adesione del CCL all’elettrodo e la struttura generale dell’elettrodo dopo il funzionamento.