Resumen de Diseño y caracterización de pilas de combustible de óxido sólido microtubulares
Las celdas de combustible de óxido sólido constituyen un atractivo elemento de cara a abordar un modelo energético menos dependiente de los combustibles fósiles. Frente a otros tipos de celdas de combustible, las celdas de combustible de óxido sólido presentan la gran ventaja de no requerir catalizadores preciosos, y la principal contrapartida de sufrir fenómenos de degradación asociados a su elevada temperatura de operación. De entre las posibles aplicaciones para estos dispositivos, las celdas microtubulares podrían encontrar un nicho en la generación en dispositivos para aplicaciones portátiles, debido a su capacidad de calentarse rápidamente.
El mayor logro conseguido durante la realización del presente trabajo ha sido el desarrollo de una ruta de fabricación de monoceldas reproducibles, robustas y con un rendimiento comparable con el estado del arte. Para la formulación de dicho desarrollo ha sido necesaria la optimización de numerosos procesos. Adicionalmente en dicha ruta se han utilizado exclusivamente procesos escalables industrialmente y ampliamente utilizados en la actualidad.
Se han determinado las proporciones de una mezcla homogénea de NiO, YSZ y formador de poro con el sistema ligante de PP, PW y SA, con la que se extruyen preformas tubulares en verde uniformes. Se ha optimizado el tratamiento de solvent debinding, así como el de deposición para un electrolito de YSZ mediante dip-coating. Tras la deposición, soporte y electrolito son cosinterizados a 1500°C. Por último, el electrodo de oxígeno se aplica también mediante dip-coating y se le aplica el tratamiento térmico correspondiente (1100°C para el electrodo de LSM-YSZ).
Las celdas fabricadas han sido caracterizadas electroquímicamente en diversas condiciones. La operación en modo celda con una alimentación compuesta por hidrógeno humidificado a temperatura ambiente puede caracterizarse con una ASR de 0.6 ohmcm2 a 800°C y una Ea aparente de 0.92 eV. Adicionalmente se ha comprobado que las celdas experimentan una degradación insignificante tras un periodo de operación inicial y durante al menos 1000 horas. Ensayos de mayor duración serían necesarios para determinar con exactitud el ritmo de degradación. No obstante, la operación estable durante 1000 horas se halla próxima al objetivo propuesto para un dispositivo de generación para aplicaciones portátiles. El umbral de utilización a partir del que se comienza a observar un agotamiento de combustible pronunciado se ha estimado próximo al 70%.
Además, se ha caracterizado en qué medida afectan las variaciones en las condiciones de operación más relevantes en el rendimiento de las celdas, como temperatura o presiones parciales de los gases en la alimentación. Se ha desarrollado una metodología de análisis de impedancias en base a la experiencia obtenida durante la caracterización de todas las monoceldas y la bibliografía de otros autores que ha permitido discriminar en cierta medida las contribuciones de los diferentes procesos que limitan el funcionamiento de las celdas.
Se ha trabajado utilizando las celdas en modo electrolizador. La caracterización en este modo ha demostrado que la operación de las celdas es prácticamente reversible, tanto para la electrólisis del agua como de CO2. Lamentablemente se ha registrado un ritmo de degradación muy elevado durante operaciones prolongadas en condiciones de electrólisis de agua. Mediante análisis de impedancias se ha observado que la mayor degradación tiene lugar en el proceso atribuido a la actividad electroquímica del electrodo de H2/H2O, lo cual es consistente con la hipótesis de que se produce un agotamiento de Ni en la zona del electrodo próxima al electrolito.
Partiendo del diseño base de las monoceldas se han fabricado y caracterizado celdas con un electrodo de oxígeno de PNO en lugar del de LSM-YSZ y se han valorado diferentes opciones de capa barrera para compatibilizar químicamente dicho electrodo con el electrolito de YSZ. De entre las opciones ensayadas, una capa barrera mixta de PNO-GDC produjo los mejores resultados. La celda con electrodo de PNO mostró resistencias de polarización menores que la celda con electrodo de LSM-YSZ, especialmente a las menores temperaturas ensayadas, postulando a este material como un buen candidato para operación a temperaturas intermedias.
Todo el trabajo expuesto en la presente memoria abre la puerta a una posible transferencia a la empresa, así como al comienzo del trabajo a nivel stack. La elevada reproducibilidad de las monoceldas es un requisito indispensable para proseguir en esta vía. Estos resultados están dando lugar a diversos contactos y es de esperar que fructifiquen en años venideros.
