Desarrollo de celda de combustible de tipo SOFC tubulares de soporte metálico tubular.

Abstract

Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC), tubulares de soporte metálico constituyen una alternativa más robusta y estable para la generación combinada de electricidad y calor que las tecnologías SOFC tradicionales de soporte cerámico (electrolito o electrodos) y de estructura planar. La sustitución del soporte cerámico, que aporta la estabilidad mecánica, por aleaciones metálicas, presenta como nuevos retos la densificación completa del electrolito sin dañar ni densificar la aleación; o el desarrollo de microestructuras óptimas del ánodo en atmósfera reductora y a elevada temperatura. La comercialización de este tipo de dispositivos requiere además del desarrollo de procesos de fabricación sencillos, reproducibles y escalables a costes competitivos. En este trabajo se presenta el desarrollo de la tecnología SOFC de soporte metálico tubular llevado a cabo en IK4-Ikerlan en colaboración con CEIT-IK4. Se describe la metodología de fabricación de las celdas, basada en técnicas sencillas y de fácil implantación en procesos automatizados, con las que se han preparado celdas de manera sistemática. El uso de diferentes materiales de partida para la fabricación del soporte metálico y la barrera de difusión ha permitido la identificación y comprensión de los parámetros clave que determinan la obtención y comportamiento de las celdas SOFC mediante la tecnología desarrollada. Con una primera generación de celdas (denominadas G1) se ha optimizado el rendimiento electroquímico y se ha conseguido demostrar su viabilidad en ensayos de larga duración. Además, se ha desarrollado un nuevo sistema de estanqueidad que a su vez actúa como interconector del ánodo, basado también en piezas metálicas. De esta forma se elimina el uso de materiales sellantes cerámicos aportando mayor robustez y resistencia frente a ciclos de encendido y apagado del sistema. Los problemas de degradación del soporte metálico detectados en los ensayos de larga duración al realizar pruebas con mayor utilizabilidad del combustible, se han solucionado mediante la optimización de una barrera de difusión alternativa entre el soporte metálico y el ánodo. Este hecho ha dado lugar a la preparación de una segunda generación de celdas SOFC con un nuevo material para la barrera de difusión (denominadas G2). De manera general, los principales logros alcanzados incluyen la obtención de una primera generación de celdas SOFC tubulares de soporte metálico funcionales (densidad de potencia promedio de 250 mA/cm2 y máximo de 450 mA/cm2 a 0.7 V y 800 ºC) y estables durante más de 1500 horas de funcionamiento en continuo y más de 500 ciclos de encendido y apagado (más de 2000 horas de operación). La segunda generación de celdas presenta rendimientos electroquímicos ligeramente inferiores (240 mW/cm2 de densidad de potencia máxima a 0.7 V y 800 ºC). Sin embargo, estas celdas alcanzan una notablemente superior estabilidad en condiciones más exigentes de utilizabilidad del combustible, ya que sus propiedades permanecen prácticamente inalteradas durante 900 horas de funcionamiento con utilizabilidad simulada del 50%. Así, el logro más significativo de las celdas G2 ha sido extender la estabilidad de la tecnología en condiciones de uso eficiente, con aprovechamiento elevado del combustible utilizado.