Ceramic and metal supported solid oxide cells : performances and degradation assessment under reversible operation condition

Renewable energy sources are a key part of the green transition necessary to avoid catastrophic climate changes. The unpredictability of these sources calls for devices capable of converting and storing the electrical energy produced. In this context, the attention on electrochemical devices such as high-temperature solid oxide cells (SOCs) is increasing. The same cell can be operated in fuel cell mode (SOFC) when there is demand of energy production or in electrolysis cell mode (SOEC) when the overproduction peaks occur. Reversible behaviour describes a cell operating in both the modes. The focus of this work is on two different SOC technologies operating under reversible conditions: a state-of-theart ceramic-supported cell and a recently developed Metal-Supported Cell (MSC), designed to improve the thermal and mechanical stability of the first one. This two technologies went through a 500 hours durability test under reversible operation, in galvanostatic conditions at 650°C feeding 50% steam - 50% hydrogen to the negative electrode and air to the positive electrode. This two tests were performed at 0.25 A cm−2 and EIS were recorded while the test was running in order to assess the degradation of the cell. Electrolysis was the main mode affected by voltage variation for the ceramic supported cell, while the fuel cell mode was the main one for the metal supported, in accordance with the results from past tests. Evolution of voltage over time was also considered to assess the degradation of the cell. The resistance contribution most affected by the reversible behaviour is the polarization resistance for the ceramic supported technology, mainly related to the negative electrode; the opposite for the MSC where the ohmic resistance contribution is more than doubled at the end of the long term test, probably related to the oxidation of the support during the fuel cell period. The SoA technology has an higher degradation rate than the MSC, but it ends stabilizing and decreasing along the test duration. Despite that, the ASR of the ceramic supported cell is higher than the one of the metal supported, recorded at the end of the test. Further investigation should be done in order to assign at every resistance or voltage variation, a variation in the microstructure of the cell or a variation in contact between the several layers of the cells.

Le fonti di energia rinnovabili sono una risorsa chiave per la transizione verde necessaria per evitare la catastrofe del cambiamento climatico. L’imprevedibilità di queste fonti richiede dispositivi capaci di convertire e di immagazzinare l’energia elettrica prodotta. In questo caso, l’attenzione rivolta a dispositivi elettrochimici che possano operare ad alte temperatrure, come le celle ad ossidi solidi sta aumentando. Quest’ultima può essere operata come cella a combustibile (SOFC) quando vi è richiesta di energia elettrica o come elettrolizzatori quando vi sono picchi di produzione. Con comportamento reversibile si intende la possibilità del dispositivo di lavorare in entrambe le modalità descritte. Questo progetto si concentrerà su due diversi tipi di tecnologie di celle ad ossidi solidi, testandone il comportamento reversibile: la cella "stato dell’arte" (SoA) a supporto ceramico e la tecnologia recentemente sviluppata a supporto metallico (MSC), progettata per migliorare la stabilità termica e meccanica rispetto alla prima tecnologia citata. Queste due tecnologie sono state testate per 500 ore, in condizioni galvanostatiche, alternando funzionamento a fuel cell ed elettrolisi a 650 gradi, con un mix di 50% vapore e 50% idrogeno fornito all’elettrodo negativo e aria a quello positivo. Questi due test sono stati condotti fornendo corrente costante a 0,25 Acm−2 e durante il test degli spettri di impedenza sono stati registrati per poter tener traccia del degrado delle celle. Il comportamento a elettrolisi ha evidenziato maggiori variazioni di potenziale per la cella ceramica, mentre per la cella a supporto metallico lo è stato quello di operatività a cella a combustibile, come già verificato in test passati. L’evoluzione del potenziale della cella è analizzato per poter descrivere il comportamento della cella lungo le 500 ore di test. Il contributo di resistenza più influenzato dal funzionamento reversibile è la resistenza di polarizzazione per la cella a supporto ceramico, mentre la resistenza ohmica della cella metallica è quella più influenzata dal test a lungo termine, raddoppiando dall’inizio del test, probabilmente dovuto alla ossidazione del supporto metallico durante il periodo di fuel cell. La tecnologia a supporto ceramico ha un tasso di degrado maggiore rispetto alla tecnologia metallica, ma finisce per stabilizzarsi e infine diminuire all’avanzare dell’esperimento. Nonostante questa considerazione sui tassi di degrado, la resistenza totale misurata alla fine del test per la cella ceramica è maggiore rispetto alla tecnologia metallica. Ulteriori analisi al microscopio sarebbero necessarie per poter attribuire le variazioni di resistenze/ potenziale a eventuali cambiamenti delle microstrutture della cella o a comportamenti anomali dei diversi strati delle celle.