Optimización de cátodos de pilas de combustible SOFC mediante infiltración de catalizadores

Gómez Conchán, Jorge
Orera Utrilla, Alodia (dir.) ; Laguna Bercero, Miguel Ángel (dir.)

Universidad de Zaragoza, EINA, 2014
Departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales y Fluidos, Área de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica

Ingeniero Industrial

Resumen: El presente proyecto tiene como objetivo el estudio del efecto de la adición de nanopartículas metálicas u óxidos metálicos sobre el comportamiento del electrodo de aire (cátodo) en una pila de combustible de óxido sólido (SOFC). Para llevar a cabo este propósito se procederá a la fabricación de una pila plana simétrica con dos cátodos (en vez de ánodo y cátodo como en las pilas convencionales) depositados mediante la técnica de screen-printing y de dip-coating, y a los cuales se les incorporarán posteriormente nanopartículas metálicas a partir de sus sales por técnicas de infiltración. Los procedimientos que han sido llevados a cabo para la elaboración de una celda simétrica han sido los siguientes: Partiendo de sustratos comerciales de YSZ (circona estabilizada con itria), se cortarán con láser electrolitos planos circulares a los cuales se les aplicarán las suspensiones de electrodo basadas en LSM (manganita de lantano y estroncio) e YSZ mediante las técnicas de dip-coating y de screen-printing. Esta última técnica de fabricación favorece la reproducibilidad y automatización del proceso. A continuación se procede a la caracterización microestructural de los electrodos y de su interfase con el electrolito de YSZ, para comprobar la homogeneidad de la deposición, tamaño y distribución de las fases, y adherencia con la YSZ. Para ello se observarán las muestras en el microscopio electrónico de barrido (SEM) que nos permitirán establecer cuáles son las mejores condiciones de trabajo (proporción LSM/YSZ, espesor de electrodo, temperatura de sinterizado y porosidad). Como parte central del proyecto, se procede a la incorporación mediante técnicas de infiltración a vacío de sales metálicas que favorecerán las reacciones electroquímicas en el electrodo, reduciendo así su resistencia de polarización. En este paso se parte de disoluciones de nitrato de cobalto, cerio, manganeso y praseodimio que tras un tratamiento térmico formen nanopartículas metálicas o de óxido metálico. Posteriormente se procede a caracterizar y optimizar las infiltraciones mediante el uso de la espectroscopia de impedancias. Los resultados obtenidos muestran que las disoluciones con una carga de sales metálicas de 2,5 μmoles por electrodo reducen en mayor medida la resistencia eléctrica de las pilas de combustible tipo SOFC. Finalmente, tras analizar todas las sales metálicas infiltradas se comprueba que la infiltración de sales metálicas de cerio son las que mejores resultados presentan. Las mejorías obtenidas son del orden del 30 % cuando nos encontramos a “bajas temperaturas” (700 ºC). En el caso de altas temperaturas (900 ºC) las mejorías siguen siendo notables, un 18 % respecto a una celda sin infiltrar. Se concluye por tanto que la infiltración de catalizadores en los cátodos de las pilas de combustible de tipo SOFC mejoran su comportamiento debido a un incremento de la catálisis de la reducción del oxígeno.

Palabra(s) clave (del autor): sofc ; pila de combustible ; infiltración ; catalizadores ; screen-printing ; dip-coating

Tipo de Trabajo Académico: Proyecto Fin de Carrera