Pilas de combustible sofc de una sola cámara y generación de h2 en los electrodos de base ni y lsc

Resumen

Esta tesis se enmarca dentro de dos líneas de investigación desarrolladas de forma paralela, las cuales tienen en común el uso de cobaltitas de la familia La1-xSrxCoO3 (LSC). En un caso, se han usado cobaltitas como cátodo de SOFCs basadas en electrolitos de ceria, y en el otro, como catalizadores de producción de hidrógeno alternativos a los convencionales basados en metales soportados sobre óxidos. 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-¿ (GDC), y el cátodo, La0,5Sr0,5CoO3-¿ (LSC), así como un cérmet de Ni/GDC como ánodo que permiten disminuir la temperatura de operación del dispositivo (550-800ºC). Adicionalmente, la familia de cobaltitas (LSC, La1-xSrxCoO3) constituyen una alternativa para la producción de H2 y CO en las condiciones operacionales de una pila de combustible de una sola cámara, operando con mezclas de metano/aire. 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 emplearon difracción de rayos X y microscopia electrónica de barrido. La caracterización eléctrica de las celdas se realizó mediante medidas potenciostáticas y galvanostáticas, en un reactor de una cámara operando bajo condiciones de trabajo reales, con metano y propano como combustibles. Por otra parte, se estudiaron la cinética de dicha reacción (actividad catalítica, órdenes de reacción, energía de activación...) y el efecto de los parámetros operacionales (temperatura, presiones parciales de reactivos...) sobre el rendimiento de la producción de H2, mediante la oxidación parcial de metano, usando las perovskitas (LSC) como catalizador. Las presiones parciales de los productos de la reacción, necesarias para el cálculo de eficiencias de las pilas y de las actividades del LSC, 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. La optimización de los parámetros de reacción (caudal total, presiones parciales de metano y la temperatura) de la oxidación parcial de metano mediante LSC permitió la obtención de elevadas conversiones así como selectividades notables de productos (H2 y CO) para aplicaciones en pilas de combustible. Además, presentó una elevada estabilidad a temperaturas altas de operación, así como un aumento sensible de su actividad catalítica en los primeros ciclos redox.