Celdas de combustible de oxido solido e temperaturas intermedias : materiales avanzados y nuevos diseños - Bellino, Martín G. (2007)
Las celdas de combustible son uno de los más prometedores dispositivos para la generación de energía limpia convirtiendo energía química en electricidad. Entre ellas las celdas de combustible de óxido sólido (SOFCs) poseen la ventaja de permitir el uso de diferentes combustibles: el hidrógeno y los hidrocarburos. Se han realizado importantes esfuerzos con el fin de encontrar nuevos materiales para electrodo y electrolito que permitan bajar la temperatura de operación de estos dispositivos dando lugar a las SOFCs de temperatura intermedia (IT-SOFCs) las cuales operan entre 500-700 ºC. De esta manera se evitan problemas de degradación debido al ciclado térmico o la difusión en las interfaces y se reduce el costo de los materiales de interconexión. Los materiales nanoestructurados son investigados extensamente por poseer, debido a su tamaño de grano ultrafino creando una alta densidad de interfaces (bordes de grano), una amplia diversidad de funciones y pueden exhibir propiedades diferentes que las que poseen en su estado volumétrico. Estos materiales no han sido empleados en SOFCs convencionales ya que es esperable que un crecimiento de grano ocurra a las temperaturas de operación típicas de estos dispositivos. Sin embargo, su uso en las IT-SOFCs merece ser evaluado ya que el crecimiento de grano puede ser minimizado en su rango de temperaturas de operación. En este trabajo, se investigó la performance de electrolitos y cátodos nanoestructurados, mostrando mejores propiedades en comparación con los materiales microestructurados convencionales. Los cerámicos de base ceria son los electrolitos más indicados para ser aplicados en SOFCs de temperatura intermedia debido a su mayor conductividad iónica comparados con los electrolitos basados en circonia estabilizada con itria (YSZ) que son los usados tradicionalmente. Un área creciente de investigación es el transporte iónico en electrolitos sólidos nanoestructurados conocida como "nanoionics". En el presente trabajo se estudiaron las propiedades eléctricas de cerámicos nanoestructurados de CeO2–10% molar Y2O3 (YDC) y CeO2–10% molar Sm2O3 (SDC) en función del tamaño de grano utilizando espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS). Se utilizó un tratamiento de sinterizado simple y corto para densificar los cerámicos, lográndose altas densidades a temperaturas relativamente bajas. Se encontró por primera vez que un notable aumento en la conductividad iónica, de aproximadamente un orden de magnitud, se produce en cerámicos nanoestructurados de ceria altamente dopada, en comparación con la conductividad de cerámicos convencionales. Este aumento fue modelado por la predominancia de la conductividad paralela en borde de grano en los materiales nanoestructurados, en conjunto con una rápida difusión en borde de grano cuando decrece el tamaño medio de grano. Además, se propuso el mecanismo físico del proceso de migración responsable del aumento en la conductividad iónica en los electrolitos sólidos nanoestructurados. El comportamiento de estos nanocerámicos se asemeja al de otras familias de electrolitos sólidos con portadores deslocalizados con un movimiento traslacional mediante un gran salto, diferente al caso de los electrolitos microcristalinos convencionales, para los cuales los portadores muestran un salto localizado. En este caso, los portadores deslocalizados fueron identificados con las vacancias de oxígeno libres localizadas en los bordes de grano. Debido a que los cerámicos de ceria dopada poseen pobres propiedades mecánicas en comparación con los de YSZ, se estudiaron las propiedades eléctricas de nanocerámicos compuestos de YDC/YSZ. Al decrecer el tamaño de cristalita se observó un importante aumento en la conductividad iónica y se demostró que es causado por un incremento de la difusividad en borde de grano seguido por una conexión paralela ideal entre ambas nanofases. Además, la presencia de la fase YSZ mejoró las propiedades mecánicas de los nanocerámicos de base ceria. Las cobaltitas son actualmente uno de los materiales más utilizados como cátodos en las IT-SOFCs debido a su alta conducción mixta iónica-electrónica en ese rango de temperaturas. También en este trabajo, fueron sintetizadas estructuras tubulares formadas por nanopartículas de cobaltitas y se utilizaron para construir una arquitectura novedosa y altamente porosa en cátodos nanoestructurados para IT-SOFCs, mostrando una muy baja resistencia de polarización en comparación con la de los cátodos convencionales. Para ello se ideó un método muy rápido y simple para adherir los nanotubos al electrolito reteniendo su estructura original. Los novedosos y originales resultados presentados optimizando las propiedades de los materiales para IT-SOFCs representan un importante avance tecnológico. Además, el entendimiento de los procesos que generan dichas optimizaciones posibilitara nuevas mejoras en el futuro, diseñando materiales de manera de privilegiar dichos procesos que mejoran la performance.