Investigation of new materials for solid oxide fuel cell cathodes

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are a promising technology to deal with the present energy challenges of an ever-growing global demand for energy and environmental sustainability. SOFC technology offers high efficiency and a good fuel flexibility. However, high costs and limited lifetime are factors that limit the spread of this technology. A shift from the present high operating temperatures (800-1000°C) to an intermediate temperature range (500-700°C) would bring several advantages in terms of reduced cost of materials and improved lifetime and operations. One of the main obstacles to intermediate temperature operation is the sluggish reaction kinetics at the cathode, due to the relatively high activation energy of the oxygen reduction reaction (ORR). Double perovskite materials proved to be interesting potential candidates for a next-generation cathode thanks to their electrochemical and catalytic properties. In this study, the current SOFC technology is firstly investigated with the fabrication and characterization of a cell made with traditional materials. In the second part, a new cell design employing a double perovskite material is fabricated and studied. A 3-D model for the sintering process is also implemented to investigate the influence of several parameters on the final micro-structure and electrochemical properties of the electrode. The best material tested exhibited high power densities of 0.83 W/cm^2 at 650°C and acceptable performance at temperatures as low as 500°C. In parallel, the simulation of the sintering process provided a qualitative understanding of the influence of sintering parameters on the cathode microstructure, which proved useful in increasing the performance of the cells.

Le celle a combustibile a ossidi solidi (solid oxide fuel cells, SOFCs) sono una tecnologia promettente per far fronte in modo sostenibile ad una sempre crescente domanda di energia a livello mondiale. Le SOFC offrono alta efficienza energetica e una ottima flessibilità per quanto riguarda il combustibile impiegato. Tuttavia, alcuni fattori limitano ancora lo sviluppo su larga scala di questa tecnologia, in primo luogo gli alti costi. Molti ostacoli potrebbero essere superati abbassando la temperatura di funzionamento dagli 800-1000°C odierni ad un range di temperature più basso, intorno ai 500-700°C: temperature più basse permetterebbero l'utilizzo di materiali meno costosi, allungherebbero la vita dei componenti e renderebbero più veloci i cicli di accensione e spegnimento. Uno degli ostacoli maggiori che frena lo sviluppo di SOFC a bassa temperatura è la reazione di riduzione dell'ossigeno al catodo, che è sfavorita alle basse temperature. I materiali con struttura a doppio perovskite si stanno recentemente rivelando molto promettenti come catodi per SOFC grazie alle loro proprietà elettrochimiche e alla loro eccellente capacità catalitica. In questo lavoro si è innanzitutto studiata la attuale tecnologia SOFC con la fabbricazione di una cella con materiali tradizionali. Nella seconda parte del lavoro si sono sviluppate nuove celle utilizzando un nuovo materiale per il catodo. La cella testata con il nuovo materiale ha mostrato una alta densità di potenza di 0.83 W/cm^2 a 650°C e performance accettabili fino a 500°C. Parallelamente è stato sviluppato un modello 3D del processo di sinterizzazione per studiare l'influenza dei parametri iniziali sulla micro-struttura finale del catodo che a sua volta influenza il comportamento elettrochimico della cella.