Development of a scalable prototype of self-supported microtubular solid oxide fuel cell on andes based on NiO and CGO

Abstract

Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC, por siglas en inglés) se han posicionado como una atractiva alternativa para la generación de energía a futuro, debido a su elevada eficiencia de conversión energética y bajo impacto ambiental. El principal inconveniente de las celdas SOFC fabricadas actualmente a escala industrial en base a óxido de zirconio(IV) estabilizado con itrio ZrO2•Y2O3 8 % mol. (YSZ, por sus siglas en inglés) se deben principalmente a la extremada alta temperatura de operación (alrededor de los 1000°C), generando problemas de degradación tanto en las electrodos como en los materiales accesorios de la celda. Para reducir estos problemas, la tendencia de investigación actual ha estado inclinada hacia el desarrollo de SOFCs para temperaturas de operación baja e intermedia entre los 500°C y 700°C (LT-SOFC; IT-SOFC). Sin embargo, disminuir la temperatura de operación trae consigo una mayor contribución a la resistencia por polarización, que se asocia con disminución en la cinética de los electrolitos y electrodos, problemas que deben ser resueltos para garantizar una buen rendimiento eléctrico comparable a los sistemas de alta temperatura. En este sentido, el óxido de cerio(IV) CeO2 dopado con Gadolinio(III) (Gd0.1Ce0.9O1.95 ; CGO ó GDC) ha sido considerado como un material prometedor y de mucho uso en la actualidad para electrolito, debido a su mayor conductividad iónica respecto a YSZ a menores temperaturas de trabajo entre 400-700°C. En el caso de los materiales para electrodo, el composito entre óxido de níquel (NiO) y CGO para el ánodo, es considerado como el mejor candidato para ser empleado en las celdas de combustible de óxido sólido de temperatura intermedia (IT-SOFCs) y en el caso del cátodo, óxidos conductores iónicos y electrónicos (Mixed ionic electronic conductors, MIEC) han sido ampliamente utilizados, entre ellos la perovskita La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3 (LSFC ó LSCF) y compositos de LSFC con CGO en diferentes proporciones. Sin embargo, al momento de fabricar las celdas, tanto las características instrinsecas del material de electrodo, como la microestructura final después de los procesos de fabricación son importante y especialmente esta última se ha establecido que depende en especial de la naturaleza de los polvos precursores y de la técnica de manufactura. A su vez, los materiales cerámicos nanoestructurados poseen características únicas que se manifiestan en un mejor rendimiento en comparación con los materiales cerámicos convencionales. Por lo tanto, en este trabajo se desarrolló un prototipo microtubular de celdas de combustible de óxido sólido para temperaturas intermedias basada en CGO como electrolito y los compositos convencionalemte usados NiO-CGO y LSFC-CGO para ánodo y cátodo, respectivamente, partiendo de polvos precursores obtenidos por el método de solución combustión con citrato en un solo paso (mezclado a nivel molecular), con la que se logró obtener un densidad de potencia máxima de 0.6 mW·cm-2 para un corriente y voltaje de aproximadamente 1.4 A·cm-2 y 0.5 V. Se estudió el efecto que tiene la síntesis de los materiales precursores de los electrodos en la microestructura de los monolitos sinterizados, así como en sus propiedades eléctricas. Los resultados obtenidos demuestran que los compositos obtenidos mediante este método de síntesis, conducen a materiales cerámicos con mejores propiedades microestructurales, estabilidad y mejor percolación de las fases, reduciendo con ello la resistencia por polarización.

Solid oxide fuel cells (SOFC) have positioned themselves as an attractive alternative for future power generation, due to their high energy conversion efficiency and low environmental impact. The main drawback of SOFC cells is currently manufacturing an industrial scale based on zirconium(IV) oxide stabilized with yttrium ZrO2•Y2O3 8 mol%. (YSZ) are mainly due to the extreme high operating temperature (around 1000°C), causing degradation problems in both the electrodes and the accessory materials of the cell. To reduce these problems, the current research trend has been inclined towards the development of SOFCs for low and intermediate operating temperatures between 500°C and 700°C (LT-SOFC; IT-SOFC). However, lowering the operating temperature brings a greater contribution to polarization resistance, which is associated with a decrease in the kinetics of electrolytes and electrodes, problems that must be solved to ensure good electrical performance comparable to high temperature systems. . In this sense, cerium(IV) CeO2 oxide doped with Gadolinium(III) (Gd0.1Ce0.9O1.95; CGO or GDC) has been considered as a promising material and currently used for electrolyte, due to its greater ionic conductivity with respect to YSZ at lower working temperatures between 400-700°C. In the case of electrode materials, the compound between nickel oxide (NiO) and CGO for the anode is considered the best candidate for be used in the intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs) and in the case of the cathode, ionic and electronic conductive oxides (MIEC) have been automatically used, including perovskite La0.6Sr0.4Co0.2Fe0. 8O3 (LSFC or LSCF) and LSFC composites with CGO in different proportions. However, at the time of manufacturing the cells, both the instrinseca characteristics of the electrode material, and the final microstructure after the manufacturing processes are important and especially the latter has been established that depends especially on the nature of the precursor powders and of manufacturing technique. In turn, nanostructured ceramic materials have unique characteristics that are manifested in better performance compared to conventional ceramic materials. Therefore, in this work a microtubular prototype of solid oxide fuel cells for intermediate temperatures based on CGO as an electrolyte was developed and the conventionally used NiO-CGO and LSFC-CGO composites for anode and cathode, respectively, starting from precursor powders obtained by the one-step citrate combustion solution method (mixed at the molecular level), with which a maximum power density of 0.6 mW·cm-2 was achieved for a current and voltage of approximately 1.4 A·cm-2 and 0.5 V The effect of the synthesis of the precursor materials of the electrodes on the microstructure of the sintered monoliths, as well as their electrical properties, was studied. The results obtained demonstrate that the composites obtained by this method of synthesis, lead to ceramic materials with better microstructural properties, stability and better percolation of the phases, thereby reducing the resistance by polarization.