Modelación matemática de un proceso de producción de energía eléctrica a partir de hidrógeno y gas de síntesis en una celda de combustible de óxido sólido

Abstract

Se desarrolló un modelo matemático para simular la capacidad de generación de energía eléctrica de una celda de combustible de óxido sólido usando hidrógeno o gas de síntesis como combustible. Para validar este modelo, se utilizaron datos experimentales generados en una celda de óxido sólido operando a 800 ºC con ánodos basados en ceria dopada con molibdeno (disco de 14 mm de diámetro), electrolito de circona estabilizada con itria (disco de 20 mm de diámetro) y cátodo de manganita de lantano dopada con estroncio (disco de 14 mm de diámetro). Se midió el voltaje del sistema en función de su densidad de corriente de operación para los combustibles hidrógeno y gas de síntesis: mezcla equimolar de hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO). Las predicciones del modelo matemático se ajustaron satisfactoriamente a los datos experimentales, obteniéndose una densidad de potencia máxima de 1.295 W m-2 (operando a 2.394 A m-2 y 1.084 W m-2 (operando a 2.106 A m-2) al operar con hidrógeno y gas de síntesis, respectivamente. Para dichos valores respectivos de densidades de corriente, se requiere aplicar un voltaje de celda de 0,541 V y 0,515 V. En ambos casos, el promedio de residuos para el voltaje de celda, asociados al ajuste del modelo a los datos experimentales, resultó ser un orden de magnitud inferior a los valores experimentales de dicho voltaje. Los voltajes de equilibrio se estiman teóricamente en 1,100 V y 1,010 V al operar con hidrógeno y gas de síntesis, respectivamente. En ambos casos, existe una diferencia entre este valor teórico y el valor experimental que se atribuye a dos factores: la no idealidad de los gases producto de la interacción con la superficie sólida de los electrodos y la posible existencia de infiltración de aire hacia la cámara anódica. Las pérdidas óhmicas de voltaje en ambos casos abarcan alrededor de un 72% del total de pérdidas operando a la densidad de potencia máxima, debido a que la ceria dopada con molibdeno exhibe una baja conductividad eléctrica (estimada en 0,501 S m-1 a 800 ºC) en relación a materiales anódicos convencionales como el Ni/YSZ (9.156 S m-1 a 800 ºC) o a los otros componentes de la celda, donde el electrolito es la siguiente componente de más baja conductividad eléctrica (2,203 S m-1 a 800 ºC). Los sobrepotenciales de activación son la segunda componente de mayor peso en las pérdidas de voltaje, abarcando un 26,5% y un 27,9% del total de pérdidas para el sistema con hidrógeno y gas de síntesis, respectivamente, operando a la densidad de potencia máxima. En presencia de gas de síntesis, la competencia entre el H2 y el CO por los sitios activos del ánodo originan eficiencias de corriente de un 51,3% y un 48,7% para cada combustible a 800 ºC, producto de que el CO en estado estacionario se encuentra ocupando ligeramente más sitios que el H2, ya que su cinética de oxidación es más lenta. No obstante, el CO es capaz de sufrir un reformado superficial mediante la reacción de water-gas shift con el vapor de agua presente en la cámara anódica, fenómeno que es necesario incluir en posteriores estudios de modelación, pues cobra mayor importancia si se tienen altas concentraciones de CO, como por ejemplo 50% v/v.