Propuesta del mecanismo de formación de SnO2 en una celda de combustible de óxido sólido con ánodo de estaño fundido y determinación de sus parámetros cinéticos

Abstract

El incremento en la demanda energética mundial para los años venideros y el problema del cambio climático motivan la búsqueda de formas de generación de energía eléctrica más limpias y eficientes que las actuales. En este escenario surgen las celdas de combustible, dispositivos electroquímicos que permiten convertir directamente la energía química de combustibles tales como H2, metano, etc., en energía eléctrica. Entre los tipos de celdas de combustible desarrollados destacan las de óxido sólido (SOFCs, por sus siglas en inglés), debido a las altas densidades de potencia que pueden alcanzar (400 - 500 mW cmˉ², operando con H2) y a la posibilidad de usar carbón como combustible. Dado que los electrodos convencionales de una SOFC se desactivan al usar carbón, se propone reemplazar el ánodo tradicional de Ni-YSZ (electrodo cerámico de níquel mezclado con circona estabilizada con itria) por uno de estaño fundido, el cual permitiría la oxidación directa del carbón por reducción del óxido generado en la interfase ánodo|electrolito (Sn(l)-SOFC). A pesar de ser una alternativa prometedora, se ha detectado que la formación de SnO2 en la interfase ánodo|electrolito es más rápida que la reducción de este con carbón, lo cual afecta negativamente el desempeño de la celda al aumentar las resistencias internas con el tiempo. Dado esto, en el presente trabajo de memoria se desarrolló un modelo cinético que permite determinar el tiempo que tarda en formarse una monocapa de SnO2 en la interfase ánodo|electrolito, con el fin de estimar el tiempo de estabilidad de la celda. Del análisis de las constantes de equilibrio calculadas para estas reacciones, se desprende que la formación de Sn2O3 es despreciable con respecto al resto de las especies, por lo que la rama de reacciones asociadas a esa especie se omitió. Las constantes cinéticas de las otras reacciones se determinaron mediante el ajuste de una curva densidad de corriente vs. sobrepotencial proveniente de un ajuste previo de datos experimentales obtenidos por voltametría a un modelo cinético electroquímico. En un primer ajuste, se obtuvo un coeficiente de determinación R² = 0,7514, suponiendo que las concentraciones de todas las especies en la superficie del electrolito se mantienen constantes. Al desechar este supuesto, se obtuvo R² = 0,9995. Al usar los datos experimentales ajustados con un modelo simplificado, se obtuvo un ajuste con R² = 0,9994 que permitió determinar que la monocapa se forma en aproximadamente 160 s, operando al potencial que genera la mayor densidad de potencia (0,42 V). Sin embargo, la determinación de la resistencia de esta capa (2,789 e-9 Ω) indica que no es suficiente para afectar significativamente el desempeño de la celda, por lo cual se propone para trabajos futuros el planteamiento de un modelo multicapa que permita determinar la estabilidad real de esta.