Desarrollo y caracterización de electrodos de STFNC para celdas de óxido sólido: análisis del desempeño en combustibles carbonosos

Abstract

En el actual contexto de la transición energética existe una necesidad creciente en el desarrollo de dispositivos de generación de energía eficiente, amigables con el medio ambiente y con capacidad de operar en forma continua. En particular, la tecnología basada en celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) resulta muy prometedora para abordar estos desafíos. Las SOFC son dispositivos electroquímicos que operan a altas temperaturas (600-800 °C) y transforman la energía de una reacción redox en energía eléctrica empleando combustibles como el hidrógeno, así como también hidrocarburos. Los materiales basados en perovskitas resultan prometedores, pues son capaces de desempeñarse tanto como ánodos y cátodos. La operación de las celdas involucra ciclados en temperatura y provoca frecuentemente un marcado detrimento del funcionamiento, en especial cuando se emplean atmósferas carbonosas. En este trabajo de tesis se estudió el sistema SrTi0.3Fe0.7O3-Δ (STF) dopado con Ni y Co (STFNC) como electrodo de celdas simétricas. La elección de esta familia de electrodos se basó en su relativo bajo costo y buen desempeño como ánodo y cátodo. Este material presenta la capacidad de decorar su superficie formando nanopartículas metálicas que catalizan las reacciones de electrodo, a partir de un proceso conocido como “exsolución”. Se sintetizaron muestras de STFNC con diferentes estequiometrías y se caracterizaron mediante técnicas avanzadas de ciencia de materiales para determinar sus propiedades más relevantes para la aplicación, como ser su estructura cristalina, morfología, microestructura, etc. Se conformó una celda simétrica con electrolito comercial de zirconia estabilizada con escandio (SSZ) y con electrodos de STFNC para estudiar su desempeño en diferentes condiciones de operación. Se alcanzó una potencia eléctrica máxima de 0,17 W/cm² en atmósfera de hidrógeno a 750 °C. No obstante, la potencia obtenida en atmósfera de metano fue de 0,0046 W/cm², indicando una baja capacidad para reformar este combustible. Por otro lado, el material presentó una excelente tolerancia a combustibles con carbono y no se observaron indicios de degradación durante los ensayos. Los resultados de esta tesis indican que este material es un gran candidato para SOFCs simétricas operando con gases reformados.

In the current context of energy transition, there is a growing need for the development of efficient, environmentally friendly and continuous power generation devices. In particular, solid oxide fuel cell (SOFC) technology holds great promise for meeting these challenges. SOFCs are electrochemical devices that operate at high temperatures (600-800 °C) and convert the energy of a redox reaction into electrical energy using fuels such as hydrogen and hydrocarbons. Perovskite-based materials are promising because they can act as both anodes and cathodes. Cell operation involves temperature cycling and often results in a significant degradation of performance, especially when carbonaceous atmospheres are used. In this thesis, the SrTi0.3Fe0.7O3-Δ (STF) system doped with Ni and Co (STFNC) has been investigated as an electrode for symmetrical cells. The choice of this electrode family was based on its relatively low cost and good performance as an anode and cathode. This material has the ability to decorate its surface, forming metallic nanoparticles that catalyze the electrode reactions, through a process known as "exsolution". Samples of STFNC with different stoichiometry have been synthesized and characterized using advanced materials science techniques in order to determine their most relevant properties for the application, such as their crystalline structure, morphology, microstructure, etc. A symmetrical cell with commercial scandium-stabilized zirconia (SSZ) electrolyte and STFNC electrodes was formed to study its performance under different operating conditions. A maximum electrical power of 0.17 W/cm² was obtained in a hydrogen atmosphere at 750 °C. However, the power obtained in methane atmosphere was 0.0046 W/cm², indicating a low ability to reform this fuel. On the other hand, the material showed excellent tolerance to carbon fuels and no signs of degradation were observed during the tests. The results of this work indicate that this material is a great candidate for symmetrical SOFCs operating with reformed gas.