Construcción de una Celda de Combustible de Óxido Sólido para la Producción de Electricidad, Mediante el Uso y Optimización de la Perovskita La1-xSrx MnO3 (x = 0.2, 0.4) como Material Constituyente del Electrodo de Oxígeno.

Abstract

La perovskita La1-xSrxMnO3 (x = 0.2, 0.4) (LSM) como material de electrodo de oxígeno para las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) se sintetizó por el método de combustión rápida en solución y se evaluaron sus características estructurales, morfológicas, mecánicas, eléctricas y ópticas mediante las herramientas de caracterización correspondientes. Los resultados de DRX mostraron la coexistencia de los polimorfos romboédricos R-3c y Pm-3m para la fase perovskita, corroboradas por imágenes HR-TEM, mostrando que el método de combustión rápida no permitió la formación pura de la fase La1-xSrxMnO3 (x = 0.2, 0.4) para las temperaturas de calcinación inferiores a 1400 y 1500°C respectivamente, debido a la rapidez de la síntesis de combustión 500°C durante 5 min. Se observó que el tamaño medio de los granos aumentaba con el tiempo de calcinación. El análisis EDS mostró una mejor concordancia de la estequiometría con la composición teórica. La porosidad aparente disminuyó con el aumento de la temperatura y el tiempo de calcinación debido a la coalescencia de los poros de sinterización. La dureza mejoró con el aumento del tiempo y la temperatura de calcinación y alcanzó un valor máximo de 5.7 GPa que coincidía simplemente con la densidad aparente. Se observó una tendencia similar en los estudios de resistividad en función de la temperatura y todas las muestras presentaron una resistividad baja de ~1.2 Ω-cm en el rango de temperaturas de 600-700°C. Para la muestra La0.6Sr0.4MnO3 la brecha de banda calculados oscilan entre 3.71 y 3.95 eV, lo que demuestra que el compuesto también puede ser un candidato adecuado para el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos de alta frecuencia. A partir de estos fue construido una SOFC con diseño planar soportado sobre electrolito mediante la técnica de Screen Printing, tomando como electrolito el LSGM (La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3) y electrodo de combustible LSCM (La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3). La celda fue evaluada a 600 y 700 °C con 100 ml.min-1 de H2. La curva IV indicaba que el OCV aumentaba ligeramente al aumentar la temperatura, mientras que en circuito cerrado se obtenía una mayor potencia a temperaturas más elevadas. La potencia máxima alcanzada fue de 4.3 mW.cm-2 a 700°C, que correspondía al intervalo más bajo señalado en la bibliografía para este tipo de celdas de combustible. Los posibles factores que afectan al rendimiento son las perdidas por polarización debido al grosor de las capas de electrodos depositadas y la existencia de micro fisuras en el electrodo de combustible LSCM.

La1-xSrxMnO3 (x = 0.2, 0.4) perovskite (LSM) as an oxygen electrode material for solid oxide fuel cells (SOFC) was synthesized by the rapid solution combustion method and its structural, morphological, mechanical, electrical, and optical characteristics were evaluated by corresponding characterization tools. XRD results showed the coexistence of the rhombohedral polymorphs R-3c and Pm-3m for the perovskite phase, corroborated by HR-TEM images, showing that the rapid combustion method did not allow the pure formation of the La1-xSrxMnO3 phase (x = 0. 2, 0.4) for calcination temperatures below 1400 and 1500°C respectively, due to the rapid combustion synthesis 500°C for 5 min. The average grain size was observed to increase with calcination time. EDS analysis showed better agreement of stoichiometry with theoretical composition. Apparent porosity decreased with increasing temperature and calcination time due to coalescence of sintering pores. The hardness improved with increasing calcination time and temperature and reached a maximum value of 5.7 GPa which simply coincided with the bulk density. A similar trend was observed in the resistivity studies as a function of temperature and all samples exhibited a low resistivity of ~1.2 Ω-cm in the temperature range of 600-700°C. For the sample La0.6Sr0.4MnO3 the calculated band gap range from 3.71 to 3.95 eV, showing that the compound may also be a suitable candidate for the development of high frequency optoelectronic devices. From these, a SOFC with planar design supported on electrolyte was built using the Screen Printing technique, taking as electrolyte the LSGM (La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3) and fuel electrode LSCM (La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3). The cell was evaluated at 600 and 700 °C with 100 ml. min-1 of H2. Curve IV indicated that the OCV increased slightly with increasing temperature, while in closed loop higher power was obtained at higher temperatures. The maximum power achieved was 4.3 mW.cm-2 at 700°C, which corresponded to the lowest range reported in the literature for this type of fuel cell. Possible factors affecting performance are polarization losses due to the thickness of the deposited electrode layers and the existence of micro-cracks in the LSCM fuel electrode.