Approach of accelerated SOFC durability test with steam treatment

These days, fresh investments in the sector of renewable energy are being stimulated by knowledge of the causes and effects of climate change. In the coming decades, hydrogen will be crucial to achieving the objective of a more sustainable society, for which the European Union is a global leader in research and development (RANDD). Devices that convert electrochemical energy have the potential to be crucial in the creation and storage of electrical energy in future energy scenarios. In contrast to traditional methods of energy production, they transform chemical energy which, for instance, is stored in a fuel directly into electrical energy. Thus, fuel cells promise lower fuel usage and CO2 emissions as they may obtain much higher efficiencies than traditional power generation. One of the best method to make green hydrogen is electrolysis. When compared to other electrolyzers, Solid Oxide Electrolysis Cells (SOECs) in particular offer a number of advantages, including the ability to directly convert hydrocarbons, carbon monoxide (CO), and other high energy-density gases, as well as the ability to operate in both electrolysis and fuel cell modes. The focus of this project is on study the durability, specifically to investigate approaches for shortening/accelerating lifetime testing. Steam treatment at OCV was studied as an accelerating factor at the SOFC stack level. The stack A composed of state-of-the-art anode-supported cell, was tested at OCV for 500 h, and the second stack, stack B was tested for 1400 h at the same conditions both at a temperature of 750°C with a fuel composition of 10/90 H2/H2O. The difference between the two stacks were that Stack A was new and the Air electrode is composed by LSC, instead stack B was already tested for 1000h in co-electrolysis and the air electrode is composed by LSCF. The stack A showed a degradation for the ohmic resistance of 6.7% and the polarization resistance degradation of 33.5%, were the big changes was identified in Bode diagram at high frequency range, instead stack B was shown unexpected behavior: an increase of performance in the polarization resistance for the first 900 h. The influence of steam is interesting under OCV. From one side can be considered has a parameter to increase the acceleration of the degradation. And from the stack B, tested in co-SOEC in the pre-history, the steam treatment does not cause degradation and it is possible to regain some performance lost caused by degradation during the prior operation, for example, carbon deposition. Further research and development should focus on understand the mechanism behind high content of steam in order to gain a better understanding of this cell’s behavior, and accelerate the degradation processes.

In questi giorni, nuovi investimenti nel settore delle energie rinnovabili vengono stimolati dalla conoscenza degli effetti del cambiamento climatico. Nei prossimi decenni, l’idrogeno sarà fondamentale per raggiungere l’obiettivo di una società più sostenibile, per la quale l’Unione Europea è un leader mondiale nella ricerca e sviluppo (RANDD). I dispositivi che convertono l’energia elettrochimica hanno il potenziale per essere cruciali nella creazione e nell’immagazzinamento di energia elettrica negli scenari energetici futuri. Contrariamente ai metodi tradizionali di produzione di energia, trasformano l’energia chimica che, ad esempio, viene immagazzinata in un combustibile direttamente, in energia elettrica. Pertanto, le celle a combustibile promettono un consumo di carburante ed emissioni di CO2 inferiori poiché possono ottenere efficienze molto più elevate rispetto alla generazione di energia tradizionale. Uno dei metodi migliori per produrre idrogeno verde è l’elettrolisi. Rispetto ad altri elettrolizzatori, le celle di elettrolisi a ossidi solidi (SOEC) in particolare offrono una serie di vantaggi, tra cui la capacità di convertire direttamente idrocarburi, monossido di carbonio (CO) e altri gas ad alta densità di energia, nonché la capacità di operare sia in modalità elettrolisi che cella a combustibile. L’obiettivo di questo progetto è lo studio per accelerare il tempo di testing, attraverso l’applicazione di un fluido 90% vapore e 10% H2 a OCV, testando due stack SOFC. Lo stack A, composto da celle nuove, con l’anode come supporto, è stato testato a OCV per 500 ore e il secondo stack, lo stack B, è stato testato per 1400 ore alle stesse condizioni, entrambi a una temperatura di 750 °C. La differenza tra i due stack si compone da: lo stack A è nuovo e il catodo è composto da LSC, invece lo stack B è già stato testato per 1000 ore in coelettrolisi e il catodo è composto da LSCF. Lo stack A ha mostrato una degradazione nella resistenza ohmica del 6,7% e la degradazione della resistenza di polarizzazione del 33,5%, dove i grandi cambiamenti sono stati identificati nel diagramma di Bode nel range delle alte frequenze, invece lo stack B ha mostrato un comportamento imprevisto, infatti si è ottenuto un aumento di prestazioni nella resistenza di polarizzazione per le prime 900 h. L’influenza del vapore a OCV è interessante. Da un lato, il vapore, diventa un parametro che si può considerare per aumentare l’accelerazione del degrado. E dall’altro come si nota dallo stack B avente una storia antecedente in co-SOEC, col trattamento a vapore, recupera alcune prestazioni perse causate dal degrado durante l’operazione precedente, ad esempio dovuto al carbon deposition. Ulteriori ricerche e sviluppo dovrebbero concentrarsi sulla comprensione del meccanismo alla base dell’alto contenuto di vapore nel fluido d’ingresso, al fine di ottenere una migliore comprensione del comportamento di questa cellula e accelerare i processi di degradazione.