Aplicación del mecanizado láser para la mejora del rendimiento de pilas de combustible de óxido sólido

Cebollero Abián, José Antonio
Larrea Arbáizar, Ángel (dir.) ; Laguna Bercero; Miguel Ángel (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2018
(Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA))


Resumen: La pila de combustible de óxido sólido SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) es un dispositivo electroquímico capaz de transformar directamente la energía química de un combustible en electricidad. Su rendimiento está limitado por varios factores, de entre los que destacan las pérdidas óhmicas y las pérdidas de polarización. Las pérdidas óhmicas están causadas por la conducción iónica a través del electrolito, por lo que dependen de la conductividad iónica del material y son directamente proporcionales al espesor de este elemento. Por otro lado, las pérdidas de polarización se deben a las reacciones electroquímicas que tienen lugar en los electrodos. Están directamente relacionadas con la densidad de la interfase electrodo-electrolito-poro, denominada TPB (Triple Phase Boundary), por lo que estas pérdidas dependen de la microestructura de los electrodos y del área de contacto entre electrolito y electrodo.
En esta tesis se ha utilizado la técnica de mecanizado láser para modificar membranas de circona estabilizada con itria (YSZ) que se han empleado como electrolito de pilas SOFC, permitiendo fabricar pilas con un mayor rendimiento. Por una parte, con el objetivo de reducir las pérdidas óhmicas, se han adelgazado zonas seleccionadas de estas membranas hasta un espesor de ~20 μm. Las zonas circundantes se mantienen con el espesor original de 150 μm para que actúen como soporte mecánico de la celda. Por otra parte, para reducir las pérdidas de polarización, se ha mecanizado la superficie originalmente lisa de los electrolitos. De este modo se ha generado un perfil corrugado que incrementa el área de contacto efectiva con el electrodo.
La fabricación de celdas se ha realizado depositando los electrodos mediante inmersión (dip coating). Como cátodo se ha utilizado un composite de YSZ y manganita de lantano y estroncio (LSM), habitual en las pilas SOFC de alta temperatura. Como ánodo, se ha utilizado un composite de YSZ y óxido de níquel, convirtiéndose este último en níquel metálico bajo condiciones de operación (atmósfera reductora y elevada temperatura). Para conseguir una buena unión de los electrodos con los electrolitos mecanizados, ha sido necesario recurrir a técnicas de sinterización asistida por presión.
Para comprobar la estanqueidad de los electrolitos adelgazados, se han medido las curvas de polarización de celdas completas fabricadas a partir de los mismos. Los valores de tensión de circuito abierto (OCV) experimentales han sido cercanos a los teóricos, demostrando que no existe intercambio de gases entre las cámaras anódica y catódica. Por otro lado, para determinar la mejora en el rendimiento que se obtiene gracias al mecanizado superficial de los electrolitos, se han fabricado celdas simétricas (con el material del cátodo a ambos lados del electrolito). Estas celdas se han caracterizado mediante espectroscopia de impedancias electroquímica (EIS), obteniéndose una reducción de la polarización de hasta el 30 % en el rango de temperaturas comprendido entre 700 °C y 900 °C.

Pal. clave: tecnologia de materiales ; electroquimica ; tecnologia laser para produccion industrial ; microscopia electronica

Departamento: Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA)

Nota: Presentado: 20 12 2018
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón ICMA, 2018

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 Registro creado el 2019-02-06, última modificación el 2019-02-15


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