Development of directly assembled composite oxygen electrodes for reversible solid oxide fuel cells

Le celle ad ossidi solidi (SOC) rappresentano una tra le più efficienti tecnologie di conversione dell’energia chimica direttamente in energia elettrica, e viceversa. Infatti, possono possono operare sia come fuel cell (SOFC) sia come elettrolizzatori (SOEC). La reversibilità è un aspetto molto interessante di questi dispositivi. Come ogni altra cella elettrochimica, le SOC sono composte da due elettrodi separati da un elettrolita, in generale zirconia stabilizzata con ossidi di ittrio (YSZ), che, nel range di temperature comprese tra 600 °C e 1000 °C, funziona da conduttore di ioni. L’elettrodo a contatto con il combustibile è solitamente composto da ossidi di nichel mescolati a YSZ. Il YSZ aiuta a bloccare la crescita dei grani del nichel, che altrimenti andrebbero a ridurre l’area di contatto attraverso la quale gli ioni possono essere trasportati. L’anodo (o catodo in modalità elettrolisi) è solitamente lo strato più forte e spesso in ogni singola cella, perchè è proprio lo strato che comporta le minor perdite di polarizzazione. Il materiale più comune utilizzato nella fabbricazione dei catodi delle fuel cell ad ossidi solidi è la manganite di lantanio e stronzio (LSM), per la sua buona conduttività elettronica ad alte temperature. Tuttavia, le sue prestazioni diminuiscono rapidamente se la temperatura operativa scende sotto gli 800 °C. Infatti, ridurre la temperatura operativa significa risparmiare più energia, e perciò è diventata la nuova sfida nello sviluppo delle SOC. La selezione di un materiale adatto ad essere utilizzato come catodo nelle SOFC a medio-bassa temperatura può anche espandere il three-phase boundary (TPB). Nel caso del LSM, infatti, a causa della sua trascurabile conduttività ionica, il TPB è limitato alla sola interfaccia tra catodo ed elettrolita. Perciò, è di fondamentale importanza lo studio dei materiali in grado di offrire un’elevata conduttività elettronica a basse temperature. I cosiddetti MIEC (mixed ionic electronic conductors) sono ottimi candidati per questo scopo. I MIEC possono aiutare a sviluppare TPB più ampi e di conseguenza SOFC a medio-bassa temperatura più performanti. La concentrazione della maggior parte delle perdite di polarizzazione nel catodo e le nuove possibilità offerte dagli elettrodi comopositi sono le ragioni principali per cui questo studio è focalizzato sullo studio di mezze celle soltanto. In questo studio, diversi materiali sono stati studiati: manganite di lantanio e stronzio, cobaltite-ferrite di lantanio e stronzio (LSCF), cobaltite-ferrite di bario e stronzio (BSCF) cobaltite-calcite di neodimio e bario (NBCaC), mischiati una volta con YSZ e una volta con ceria drogata con ossidi di gadolinio (GDC). A differenza dei più comuni metodi utilizzati per la fabbricazione delle SOFC, in questo studio, gli elettrodi soggetti di studio sono stati direttamente applicati sull’elettrolita per mezzo di una procedura "in-situ", che non prevede processi di sinterizzazione. In questo modo, è possibile evitare diversi step, risparmiando energia, tempo e denaro, e soprattutto non c’è pericolo di dar vita a nuove fasi generate da reazioni chimiche tra elettrodo ed elettrolita dovute all’alta temperatura dei processi di sinterizzazione. Nonostante questi vantaggi, senza un processo di sinterizzazione ad alta temperatura non è possibile creare un contatto intimo tra elettrodo ed elettrolita. Perciò, l’interfaccia è stata creata attraverso il passaggio di corrente catodica (modalità fuel cell) o anodica (modalità anodica). Altre analisi, come la spettroscopia dell’impedenza elettrochimica (EIS) e la microscopia elettronica a scansione (SEM), sono state portate avanti per studiare le prestazioni delle celle e l’evoluzione dell’interfaccia elettrodo/elettrolita.