Desarrollo de un prototipo de stack de celda de combustible de óxido sólido.

Abstract

Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC, por siglas en inglés) se consideran una posible solución alternativa a la crisis energética y la contaminación ambiental, que es clave para contrarrestar el agotamiento de los combustibles fósiles al avanzar hacia la recolección de energía limpia. Sin embargo, uno de los principales inconvenientes de las celdas SOFC fabricadas actualmente a escala industrial en base a óxido de zirconio estabilizado con itrio (YSZ, por sus siglas en inglés) se debe a la alta temperatura de operación (alrededor de los 1000°C), generando problemas de degradación tanto en los electrodos como en los materiales accesorios de la celda. Para reducir estos problemas, la tendencia de investigación actual ha estado inclinada hacia el desarrollo de SOFCs para temperaturas de operación baja e intermedia entre los 500°C y 700°C (IT-SOFC). Informes anteriores, sugirieron el potencial de Óxido de Níquel con Cerio dopada con gadolinio (NiO-GDC) y Óxido de Níquel con Cerio dopada con samario (NiO-SDC) como materiales anódicos para SOFC de temperatura intermedia debido a su alta conductividad y baja energía de activación. En esta investigación, informamos sobre un método de combustión de solución rápida para la síntesis de polvos cermet de nanocompuestos NiO-GDC y NiO-SDC. Los polvos cermet preparados se compactaron mecánicamente en discos para el análisis mecánico y eléctrico. Las pruebas de dureza Vickers mostraron propiedades mecánicas relativamente buenas tanto para el cermet con una dureza como con una tenacidad a la fractura en el rango de 3,6 a 6,7 GPa y de 0,5 a 2,6 MPa·m1/2, respectivamente. Ambos materiales mostraban una conductividad eléctrica insultante/semiconductora (σ, del orden de 10–2 S/cm). Se discutió la dependencia directa observada de la conductividad con la temperatura (T) en el rango de 650 y 1050 K. A partir del modelo de relación de Arrhenius de los comportamientos de σ(T), se estimaron energías de activación bajas de aproximadamente 0,185 ± 0,006 eV para NiO–GDC y 0,179 ± 0,009 eV para NiO–SDC. Los resultados obtenidos sugirieron el potencial de nuestros polvos cermet NiO–GDC que se adaptan a la fabricación de ánodos SOFC. Además, se fabricó un ánodo en base a NiO-GDC y se evaluó la viabilidad del método Spray coating como una técnica confiable y rentable para el recubrimiento de una capa de electrolito Ce0.9Gd0.1O1.95 (GDC). La compatibilidad del ánodo y el electrolito se analizó mediante XRD. La variación en el espesor y la morfología de la película de electrolito en función de los ciclos de recubrimiento se discutió con microscopios ópticos y electrónicos de barrido. Con una formulación similar, se realizó el recubrimiento de La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3 –Ce0.9Gd0.1O2 – δ (LSFC – GDC) para lograr un cátodo poroso. Se probó una celda individual con soporte de ánodo microtubular con configuración NiO – GDC / GDC / LSCF – GDC como ánodo / electrolito / cátodo en modo de celda de combustible con hidrógeno humidificado como combustible y aire estacionario como oxidante. El prototipo mini SOFC fabricado que generó una densidad de potencia máxima de 0,510 W/cm2 a 600 °C representa el potencial de esta técnica de recubrimiento escalable industrialmente y de bajo costo. Por último, se lograron caracterizar satisfactoriamente los nuevos diseños de stack de celdas, bajo distintas condiciones de flujo de combustible y aire, así como también distintas configuraciones eléctricas, obteniéndose una densidad de potencia máxima obtenida fue de 1.04 W/cm2 , con un flujo de hidrogeno de 70 ml/min e inyectando una corriente de aire, algunos stack tuvieron bajos valores de potencia neta. Aun así, es posible ver su funcionamiento en aplicaciones que, aunque todavía son de bajo consumo, permiten prever que las celdas funcionan correctamente.