YMO3, ANODO DE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE SOFC

YMO3, ANODO DE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE SOFC

En los últimos años, se ha intensificado la búsqueda de nuevos métodos que permitan la obtención de energías más limpias y que a su vez sean altamente eficientes. Debido a esto, diversos estudios han logrado establecer tecnologías que complementan la matriz energética mundial y que funcionan como alternativas a los combustibles fósiles utilizados comúnmente. Uno de los vectores energéticos más atractivos en la actualidad es el de las celdas de combustible, en particular las celdas de combustible SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), las cuales se caracterizan por ser sustentables y amigables con el ambiente.

Las celdas SOFC generan energía eléctrica a partir de gases combustibles, en principio hidrógeno o hidrocarburos livianos como metano y gas natural. No obstante, el continuo desarrollo de éstas ha demostrado que son capaces de operar con diferentes combustibles como etanol, amonio, urea, gas de síntesis, biogás, entre otros, con emisiones de CO2 menores a las de un proceso tradicional. Esto es posible debido a que las SOFC realizan un reformado interno del combustible, alcanzando una eficiencia de transformación a energía eléctrica entre el 35-45%, y para el caso donde se puede implementar un sistema de cogeneración energética se llega a un 70-80%.

En general, estas celdas de combustible están conformadas por dos electrodos y un electrolito que se encuentra en medio de ellos. Regularmente se utiliza como electrolito YSZ (zirconia estabilizada con ytrio), para el cátodo se usan metales nobles u óxidos (en su mayoría de estructura perovskita ABO3, como LSM              (La1-xSrxMnO3) y en el ánodo se emplean mezclas de cerámica con metal, llamadas cermet, de las cuales sobresale el composite Ni/YSZ. Sin embargo, en estos dispositivos, y específicamente en el ánodo, se presentan problemas cuando se trabaja a altas temperaturas, puesto que se produce acumulación de coque (por craqueo catalítico) y envenenamiento por compuestos azufrados si se usan combustibles hidrocarbonados. Por tal razón, se busca el desarrollo de materiales para ánodo que tengan mejores características como resistencia al envenenamiento, estabilidad en los medios oxidantes o reductores y conductividad electrónica e iónica. Para lograrlo, se considera un material monofásico que por sus características estructurales podría proveer al electrodo propiedades superiores a las de los compuestos del estado del arte.

Funcionamiento de la celda SOFC.

Las celdas SOFC se caracterizan por tener un electrolito cerámico denso, que les permite trabajar en un rango de temperatura entre 600°C-1000°C. Para su funcionamiento admiten el uso de una amplia gama de combustibles como lo son hidrógeno (H2), gas natural o hidrocarburos livianos y su operación es similar a la de una pila galvánica. Es así como en estos dispositivos el oxígeno molecular (O2) contenido en el aire se difunde en el cátodo y es disociado en la interfase cátodo-electrolito por la inducción de electrones a su forma iónica (O2-).

Estos iones son llevados al ánodo por difusión selectiva a través del electrolito. Una vez allí, los aniones O2- reaccionan por ejemplo con las moléculas de H2 (si es el combustible) que difunden en el ánodo hasta la zona de reacción, formando agua y liberando los electrones que son necesarios en la reducción del oxígeno, los cuales pasan por el circuito eléctrico externo.

La semireacción electroquímica que ocurre en el cátodo de la celda de combustible se encuentra en la ecuación (1). Del lado anódico, la reacción depende del tipo de combustible empleado; las expresiones (2a) y (2b) corresponden por ejemplo al caso del hidrógeno o de un hidrocarburo, respectivamente.

                (1)[pic 1]

                (2a)[pic 2]

                (2b)[pic 3]

ÁNODO DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE TIPO SOFC

El ánodo apto para la celda de combustible debe cumplir requisitos como tener una óptima conductividad electrónica y ser eficiente electrocatalíticamente. Además, debe ser resistente a medios reductores y mostrar estabilidad en los ciclos redox. También debe mostrar compatibilidad química y termomecánica con los demás componentes de la celda, en las condiciones de elaboración y de operación de la misma.

Para tal fin, las SOFC emplean materiales conocidos como cermet, los cuales son una mezcla de cerámica y metal, que han mostrado alta compatibilidad con el electrolito. Comúnmente, para la preparación de cermet se utiliza el mismo cerámico del que está compuesto el electrolito (YSZ) y como metal se prefieren aquellos que posean alta conducción electrónica y alta actividad electroquímica para la oxidación; de este modo el ánodo más común es el cermet Ni/YSZ.

No obstante, el cermet presenta debilidades significativas en su funcionamiento, tales como pérdida de actividad catalítica debido al envenenamiento por sulfuros, inestabilidad a los ciclos redox (cambio de atmósfera de aire al medio reductor del combustible) y cambios estructurales a causa de acumulación de coque cuando se usan hidrocarburos livianos como combustible.

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