From Empiricism via Fundamentals to Improved Performance of Proton Ceramic Electrochemical Cells

Proton-keramiske elektrokjemiske celler (PCECs) representerer en fremvoksende teknologi for kostnadseffektiv elektrokjemisk energikonvertering, deriblant stasjonær energilagring, kraftproduksjon og produksjon av fornybare kjemikalier og brensler. Utviklingen den siste tiden har resultert i signifikant forbedring av materialer, komponenter og komplette elektrokjemiske celler for en rekke ulike anvendelser med konkurransedyktig ytelse. Imidlertid er den fundamentale forståelsen av de elektrokjemiske prosessene som foregår på overflater og grenseflater fortsatt begrenset. Mer spesifikt så er innflytelse av adsorberte vannlag på overflatene – og transport og reaksjoner i dem – et ubeskrevet blad i litteraturen, og noe vi mener vil kunne ha stor påvirkning på de elektrokjemiske prosessene under realistiske driftsbetingelser. BRIDGE-prosjektet har imøtekommet denne utfordringen ved å bygge bro mellom ulike vitenskapelige disipliner for å skape ny innsikt i de fundamentale prosessene. I løpet av prosjektperioden har vi utviklet en helt spesiell modell-celle med kontrollert elektrodegeometri som fremhever og separerer innflytelsen av proton-transport gjennom bulk og langs overflaten av elektroden. For å oppnå slike geometrier har vi anvendt fabrikasjonsmetoder fra mikro-elektronikk og avansert transistor-fabrikasjon. Gjennom systematiske studier av modell-elektroder med ulik geometri og arkitektur ser vi helt tydelige bevis på mekanismene som styrer elektrode-ytelsen endres når temperaturen senkes under 400 grader celcius. Kombinert med et dedikert studie av overflate-kinetikk, oksygenstøkiometri og krystallstruktur for det samme elektrode-materialet kan vi nå separere og forklare i større detalj de fundamentale prosessene som foregår på elektroden under elektrokjemisk operasjon. Parallelt med dette arbeidet ble det utført to ulike operando-studier av overflatekjemien til elektroden under drift. Der så vi helt tydelige bevis på hvordan volumet (eller arealet) som er elektrokjemisk aktivt endres som funksjon av temperatur og oksygenpartiall-trykk – som gir ytterligere empirisk bakgrunn for utvikling av komplett deskriptiv elektrokjemisk modell av PCEC reaksjonene på elektroden. Arbeidet med denne modellen er ikke ferdigstilt, men den empiriske bakgrunnen og læringen oppnådd i BRIDGE føres videre i pågående og nye EU-prosjekter fokusert på PCEC utvikling, samt et pågående senter for miljøvennlig energi (FME HYDROGEN-i). Prosjektet har også utdannet en doktorgradstudent ved Universitetet i Oslo – med planlagt disputas i løpet av 2025, samt videreutviklet og etablert prosjektlederen som en ledende internasjonal aktør innen PCEC.

The experiences and background generated in BRIDGE has positioned the PI as a leading actor in PCEC electrochemstry - exemplified by his role as a coordinator for an EU project within the Clean Hydrogen Europe partnership (PROTOSTACK), as well as project leader for several direct industry projects towards large european energy companies developing proton ceramic electrochemical cells. The project foreground has been leveraged into two NFR research project proposals and one Centre-of-Excellence application ("proton-in-charge"), as well as incorporated into an EU project which started in 2025 (HYPPER). The results, methodologies and concepts developed in BRIDGE have been adopted into ongoing research projects within FME HYDROGEN-i, ensuring continuity and exemplifying the impact of the fundamental research generated in the project. The foreign exchange visit to Tohoku University in Japan has solidified the collaboration and relationship with the excellent research group led by Professor Koji Amezawa - which will strenghten the scientific collaboration moving forward. All project results have been actively disseminated at several international conferences.

Proton Ceramic Electrochemical Cell (PCEC) based systems are an emerging technology for cost-efficient stationary energy storage, power generation and fuel production with high electrical efficiency. The development of PCEC has primarily targeted understanding and improving the bulk properties of electrolyte and electrode materials through equilibrium characterization of defect chemistry and transport properties. However, as PCEC technologies mature into scaled up electrochemical devices there is an urgent need to understand and describe the fundamental electrochemical processes of PCECs when operated far-from-equilibrium. In particular, the impact of surface protonic species on transport paths and reaction kinetics of PCEC electrodes may become increasingly important as PCECs approach the targeted intermediate-temperature regime (300-500°C). To address these needs, BRIDGE aims to extend the mechanistic understanding of intermediate-temperature PCECs as they are operated in- and out-of-equilibrium, by bridging electrochemistry, multi-scale modelling, catalysis and surface protonics in an empirically validated electrochemical model. To achieve this ambitious target, BRIDGE will employ a holistic and interdisciplinary approach coupling established methodologies from materials science, catalysis and electrochemistry with the development of novel operando methodologies for direct analysis of surface kinetics and surface chemistry of PCEC electrode surface and interfaces as they are operated far-from-equilibrium. The results will be corroborated by atomistic modelling and used as inputs for a comprehensive and mechanistic electrochemical model based on a generalized current density equation.