Preparación y caracterización de pilas de combustible de óxido sólido basadas en electrolitos de ceria operables con hidrocarburos

Abstract

Las pilas de combustible de óxido sólido se han convertido en una prometedora alternativa a los sistemas de producción de electricidad actuales, ya que consiguen eficiencias relativamente altas así como la reducción de la producción de emisiones contaminantes, tóxicas y acústicas. Recientemente se ha desarrollado un nuevo diseño de este tipo de pilas denominado “celdas de combustible cerámicas de una cámara”, que permite simplificar el dispositivo y operar con mezclas de hidrocarburos (metano, propano...) y aire, sin necesidad de separar ambos gases, como en las celdas de combustible bicamerales convencionales, gracias al empleo de electrodos selectivos a cada gas. Se han usado materiales novedosos para el electrolito, ceria dopada con gadolinia, Gd0.2Ce0.8O2-δ (GDC), y el cátodo, La0,5Sr0,5CoO3-δ (LSC), así como un cérmet de Ni/GDC como ánodo que permiten disminuir la temperatura de operación del dispositivo (550-800ºC). En este trabajo se fabricaron monopilas soportadas mecánicamente sobre el ánodo y el electrolito. En la preparación de los materiales necesarios para la fabricación de las mismas se emplearon métodos de síntesis por vía química (combustión de geles de acrilamida y sol-gel acetil-acetato). Para la conformación del componente soportador de las celdas se usó la técnica del prensado uniaxial y la serigrafía como método de deposición de capas finas del resto de componentes de la pila. Para su caracterización estructural y microestructural se empleó difracción de rayos X y microscopia electrónica de barrido. La caracterización eléctrica de las celdas consistió en medidas potenciostáticas y galvanostáticas, en un reactor de una cámara operando bajo condiciones de trabajo reales, con metano y propano como combustibles. Las presiones parciales de los productos de la reacción, necesarias para el cálculo de eficiencias, se determinaron mediante cromatografía de gases. Se demostró que las propiedades eléctricas de las pilas (densidad de potencia y voltaje) dependen notablemente de la velocidad de flujo del gas transportador (aire sintético), de la presión parcial de hidrocarburo así como de la temperatura. La mejor alternativa estudiada fue la pila soportada sobre el electrolito operada con metano que obtuvo una potencia de 297 mW/cm2 a 780ºC, una eficiencia del 19% y un coste de la electricidad generada de 40 cent €/kWh.