Estudio termodinámico del proceso de oxidación de gas de síntesis en celdas de combustible de óxido sólido

Abstract

El elevado consumo de combustibles fósiles para generar electricidad en las redes eléctricas del mundo es insostenible en el mediano-largo plazo. La quema de estos combustibles es la principal causa del calentamiento global, lo que ha promovido el desarrollo de tecnologías para producir electricidad a partir de fuentes renovables. Sin embargo, el uso de estas fuentes se asocia a problemas de frecuencia y voltaje en los sistemas eléctricos de potencia. Es así como las celdas de combustible son una solución a la hora de generar energía, ya que lo hacen de manera limpia y eficiente debido a las reacciones electroquímicas que ocurren en su interior. En específico, las celdas de combustible de óxido sólido (SOFCs, solid oxide fuel cells por sus siglas en inglés) son ventajosas, ya que pueden oxidar diversos combustibles derivados del carbón. Cuando una SOFC es alimentada con gas de síntesis, ocurren dos reacciones electroquímicas: la oxidación de H2 y CO a través del oxígeno como agente oxidante. A su vez, en el ánodo de la celda se lleva a cabo una reacción heterogénea de intercambio agua-gas (WGSR, water gas shift reaction por sus siglas en inglés), en donde el CO reacciona con vapor de agua para generar H2 y CO2. El objetivo de este trabajo de memoria fue implementar en MATLAB un modelo capaz de predecir el voltaje de equilibrio de una SOFC según la temperatura de operación de la misma y la composición de entrada del gas de síntesis en el ánodo. Para obtener las presiones de las especies gaseosas en el seno de las corrientes de alimentación se supuso que la WGSR alcanza el equilibrio, puesto que se trabajó bajo condiciones de voltaje de circuito abierto (OCV, open circuit voltage por sus siglas en inglés). Con las presiones de equilibrio se modeló el voltaje de Nernst de la celda. Luego, el modelo fue validado mediante la comparación de los voltajes de equilibrio con datos experimentales de OCVs hallados en literatura, obteniendo un error relativo bajo el +8 % en la mayoría de los casos. Este error se visualiza en: i) la sobrestimación general del voltaje de equilibrio del modelo y ii) la tendencia errónea del modelo de que a una mayor fracción de entrada de CO en el ánodo aumenta el voltaje de equilibrio. Se concluye que la principal causa de la desviación del modelo respecto a los OCVs experimentales se debe al supuesto de ignorar los efectos de la reacción de Boudouard catalizada en el ánodo de una SOFC cuando esta es alimentada con gas de síntesis. Adicionalmente, el impacto de esta reacción es implementado en el modelo, teniendo como resultado una disminución en el error del modelo relativo a los datos OCVs. También, se analizó la posibilidad que la WGSR no esté en equilibrio, concluyendo que si esto sucede, el voltaje de Nernst de la celda debería se menor, disminuyendo de igual manera el error relativo a los valores OCVs.