Desarrollo de un prototipo escalable de celda de combustible de óxido sólido microtubular autosoportada sobre ánodos basados en NiO Y CGO.

Abstract

Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC, por siglas en inglés) se han posicionado como una atractiva alternativa para la generación de energía a futuro, debido a su elevada eficiencia de conversión energética y bajo impacto ambiental. El principal inconveniente de las celdas SOFC fabricadas actualmente a escala industrial en base a óxido de zirconio (IV) estabilizado con itrio ZrO2•Y2O3 8 % mol. (YSZ, por sus siglas en inglés) se deben principalmente a la extremada alta temperatura de operación (alrededor de los 1000°C), generando problemas de degradación tanto en las 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 (LT-SOFC; IT-SOFC). Sin embargo, disminuir la temperatura de operación trae consigo una mayor contribución a la resistencia por polarización, que se asocia con disminución en la cinética de los electrolitos y electrodos, problemas que deben ser resueltos para garantizar una buen rendimiento eléctrico comparable a los sistemas de alta temperatura. En este sentido, el óxido de cerio (IV) CeO2 dopado con Gadolinio (III) (Gd0.1Ce0.9O1.95 ; CGO ó GDC) ha sido considerado como un material prometedor y de mucho uso en la actualidad para electrolito, debido a su mayor conductividad iónica respecto a YSZ a menores temperaturas de trabajo entre 400-700°C. En el caso de los materiales para electrodo, el composito entre óxido de níquel (NiO) y CGO para el ánodo, es considerado como el mejor candidato para ser empleado en las celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (IT-SOFCs) y en el caso del cátodo, óxidos conductores iónicos y electrónicos (Mixed ionic electronic conductors, MIEC) han sido ampliamente utilizados, entre ellos la perovskita 0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3 (LSFC ó LSCF) y compositos de LSFC con CGO en diferentes proporciones. Sin embargo, al momento de fabricar las celdas, tanto las características intrínsecas del material de electrodo, como la microestructura final después de los procesos de fabricación son importante y especialmente esta última se ha establecido que depende en especial de la naturaleza de los polvos precursores y de la técnica de manufactura. A su vez, los materiales cerámicos nanoestructurados poseen características únicas que se manifiestan en un mejor rendimiento en comparación con los materiales cerámicos convencionales. Por lo tanto, en este trabajo se desarrolló un prototipo microtubular de celdas de combustible de óxido sólido para temperaturas intermedias basada en CGO como electrolito y los compositos convencionalmente usados NiO-CGO y LSFC-CGO para ánodo y cátodo, respectivamente, partiendo de polvos precursores obtenidos por el método de solución combustión con citrato en un solo paso (mezclado a nivel molecular), con la que se logró obtener un densidad de potencia máxima de 0.6 mW·cm-2 para un corriente y voltaje de aproximadamente 1.4 A·cm-2 y 0.5 V. Se estudió el efecto que tiene la síntesis de los materiales precursores de los electrodos en la microestructura de los monolitos sinterizados, así como en sus propiedades eléctricas. Los resultados obtenidos demuestran que los compositos obtenidos mediante este método de síntesis, conducen a materiales cerámicos con mejores propiedades microestructurales, estabilidad y mejor percolación de las fases, reduciendo con ello la resistencia por polarización.