Experimental analysis of nickel-ceria anodes for IT-SOFC prepared by infiltration

This thesis work is focused on the experimental and numerical study of Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells (IT-SOFCs) anodes prepared by the wet infiltration technique with Ceria-based mixed ionic and electronic conducting (MIEC) electrolyte. Target of the work is the preparation of complete cells, the characterization of the cell materials and the description of the cell performance. The tested samples were realized through two different production processes: die-pressing and paint brushing. Wet infiltration was performed by the deposition of a drop of an optimized nitrate solution onto a GDC scaffold and the following decomposition of the nitrates. 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 (650°C, 700°C and 750°C) and at different hydrogen and carbon monoxide concentration in the anodic feed (30%, 50%, 70% and 100%). 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 different filter current densities and under load. A lower ohmic resistance indicates the presence of a further high frequency arc in the impedance spectra. The Equivalent Circuit Model analysis performed on the third cell suggested that the high frequency arc activation energy was comparable with the one of the electronic resistance detected for the previous tested cell. The polarization curves of the third cell were simulated with a numerical charge-distributed, stationary, isothermal and mono-dimensional model of the cell to elucidate the nature of the high frequency contribution. The comparison between the experimental and simulated curves allowed for the estimation of important anodic kinetic parameters which were not comparable with the results obtained through the ECM analysis of the same cell. Instead the activation energy was close to the one detected from the ECM analysis of the second cell tested. Therefore, the contribution present at high frequencies is related to a resistive and stationary effect probably generated by a nickel-ceria secondary phase which forms at high temperatures on the anode structure, as suggested by the TPR analyses.

Questo lavoro di tesi si concentra sullo studio sperimentale e numerico di anodi per celle a combustibile ad ossidi solidi a temperatura intermedia (IT-SOFC) preparati mediante la tecnica di infiltrazione con elettrolita caratterizzato da conduzione mista ionica ed elettronica (MIEC) a base di Cerio. Obiettivo del lavoro è la preparazione di celle complete, la caratterizzazione dei materiali e la descrizione delle prestazioni delle stesse. I campioni testati sono stati realizzati attraverso due diversi processi di produzione: die-pressing e paint brushing. L'infiltrazione è stata eseguita mediante deposizione di una goccia di una soluzione ottimizzata di nitrati su uno supporto di GDC e la successiva decomposizione dei nitrati. È stata effettuata una caratterizzazione dettagliata della procedura di preparazione e della morfologia dei campioni. Le celle sono state testate con curve di polarizzazione e curve di impedenza realizzate a temperature diverse (650°C, 700°C e 750°C) e con diversa concentrazione di idrogeno e monossido di carbonio nell'alimentazione anodica (30%, 50%, 70% e 100 %). I risultati dei test di polarizzazione e dei test d’impedenza sulle celle hanno rivelato l'impatto significativo della corrente di corto-circuito presente nell'elettrolita: diversi valori di resistenza ohmica sono stati misurati negli spettri d’impedenza a diverse densità di corrente applicate quando la cella era sottoposta a un diverso potenziale. Una resistenza ohmica inferiore indica la presenza di un ulteriore arco ad alta frequenza negli spettri. L'analisi del modello a circuito equivalente eseguita sulla terza cella ha suggerito che l'energia di attivazione dell'arco ad alta frequenza era paragonabile a quella della resistenza elettronica rilevata per la cella precedente in condizioni non perturbate. Le curve di polarizzazione del terzo campione sono state simulate con un modello numerico, a carica distribuita, stazionario, isotermo e monodimensionale della cella per chiarire la natura del contributo ad alta frequenza. Il confronto tra le curve sperimentali e simulate ha permesso di stimare importanti parametri cinetici relativi all’anodo che non sono confrontabili con i risultati ottenuti attraverso l'analisi ECM della stessa cella. Invece l'energia di attivazione era simile a quella rilevata durante l’analisi ECM per la cella precedente. Pertanto, il contributo presente alle alte frequenze è correlato a un effetto resistivo e stazionario probabilmente generato da una fase secondaria di nichel-cerio che si forma a temperature elevate sulla struttura dell'anodo, come suggerito dalle analisi TPR.