Fabricación y evaluación del rendimiento de una celda de combustible de óxido sólido con soporte de ánodo

Abstract

En el presente trabajo se aborda el proceso de fabricación y caracterización de una celda de combustible de óxido sólido SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) de tipo botón. Junto con ello se plantea el diseño de un módulo de medición intercambiable que permita realizar pruebas tanto de voltometría como de espectroscopía de impedancia electroquímica en celdas de combustible, todo esto en base a los requerimientos y limitantes propias de los equipos a disposición en el laboratorio de materiales avanzados perteneciente al departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile. El trabajo descrito en este documento detalla el proceso de fabricación de una celda de combustible de óxido sólido, conformada por un ánodo de óxido de níquel y circonia estabilizada con itria (NiO-YSZ), electrolito de circonia estabilizada con itria al 8% (YSZ-8), capa intermedia de barrera de ceria dopada con gadolinio Gd0.10Ce0.90O2-delta (GDC), y cátodo de lantano-estroncio-cobalto-ferrita (La0.6Sr0.4)0.95Co0.2Fe0.8O3-delta (LSCF). Debido a inconvenientes generados en las etapas de medición el cátodo fue reemplazado por praseodimio-bario-estroncio-cobalto-ferrita PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+delta (PBSCF). Para la fabricación de la celda se empleó el método de brush-printing o impresión por pincel, método utilizado en la aplicación de compuestos químicos en forma de solución sobre superficies especificas para un posterior sinterizado en horno. Para llevar a cabo las mediciones electroquímicas de la celda se realizó el diseño y fabricación de un módulo de medición de celdas capaz de operar en un horno para tubos marca Nabertherm modelo P330. Este módulo fue diseñado con el objetivo de dar un soporte a la celda de combustible, suministrar los gases necesarios para su operación y permitir la toma datos del potencial generado. No obstante debido a la carencia de equipos y suministro de gases, se optó por la utilización del dispositivo presente en el laboratorio de electroquímica del departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales de la Universidad de Chile. Se realizaron con éxito las pruebas de voltaje de circuito abierto (OCV) y de polarización para la celda con cátodo de PBSCF, no así para la celda de LSCF la cual sufrió una rotura que imposibilitaba su uso. Los resultados indican un valor aceptable del OCV de la celda en comparación con otros estudios similares. No obstante, las curvas de polarización obtenidas si bien muestran un comportamiento similar a otros estudios, sus valores no corresponden en magnitud. Se concluye que la diferencia significativa de los datos obtenidos se debe a desperfectos en las conexiones primarias de la celda. Se descarta la presencia procesos de degradación, ya que escapan del rango mínimo de tiempo y condiciones necesarias para estos ocurran.