Introducción                                                       

Las celdas de combustible de óxido sólido son sistemas electroquímicos que convierten la energía química de un combustible y oxígeno en electricidad (Li et al., 2011). En general, se componen de membranas o materiales cerámicos permeables que son conductores eléctricos (electricidad). Actualmente, la investigación en el mundo se centra en la conversión directa de la energía química en electricidad en un sólo paso; es decir ambos gases, oxígeno e hidrógeno son mezclados y alimentados directamente a la celda de combustible (Bedon et al., 2021). Una celda convencional es formada por el apilamiento de un ánodo, un electrolito y un cátodo, todos ellos materiales cerámicos. La celda se conforma por dos cámaras de gases, una en el ánodo con hidrógeno y otra en el cátodo conteniendo oxígeno o aire; en el sistema propuesto en esta investigación, la celda es formada por una sola cámara; por lo tanto, los electrodos ánodo y cátodo deben ser selectivos a la oxidación y reducción de los gases, respectivamente. En este sentido la tendencia ha sido a películas delgadas o recubrimientos gruesos, particularmente para electrolitos sólidos. Esta tendencia tiene como objetivo reducir la temperatura de 1000 a 800^oC (Sengodan et al., 2015). Sin embargo, esto da como resultado un aumento de resistencia eléctrica en el electrolito y una disminución de la conductividad iónica. El electrolito es un conductor iónico sólido que conduce iones de oxígeno. El oxígeno es ionizado a alta temperatura formando iones de oxígeno, mientras que el hidrógeno es oxidado en el ánodo formando agua pura.

Objetivo          

Evaluar un dispositivo eléctrico de celda de combustible de óxido sólido (μSOFC ) para aplicaciones portátiles.

Materiales y métodos

La celda μSOFC fue soportada en un sustrato de YSZ estabilizado con Y₂O₃ al 8% molar y sinterizado (Zr_0.92Y_0.08O₂) a 1600 ºC por 2h. Las películas delgadas de GDC/SDC de 170 nm fueron crecidas en el sustrato por erosión catódica de RF (radio frecuencia) a 20 ^oC. El cátodo de La_0.8Sr_0.2MnO₃ y el ánodo de Ni-Gd_0.1Ce_0.9O₃ (60-40%wt) fueron sintetizados por el método sol-gel, depositados por serigrafía, y sinterizados a 1050 ^oC por 2h (Fig. 1).

El dispositivo fue probado a 780^oC con gas metano y aire, variando el flujo de 442 a 540 cm³/min (ver figura 1). El dispositivo fue medido en un potenciostato (fuente eléctrica de cargas dinámicas) midiendo la densidad de potencia (energía producida por cm²) producida y sus propiedades de transporte; conductividad eléctrica y perdidas óhmicas.

Resultados y discusión

En la figura 2 se muestran los resultados de polarización eléctrica (voltaje [V] vs corriente [I]) y densidad de potencia (energía producida por cm²) de la celda con geometría YSZ al 8% GDC/SDC después de la reducción del ánodo y un electrolito de 170 nm de espesor. En esta celda se emplearon los electrodos de Ni-GDC y LSM_0.5GDC_0.5 en el ánodo cátodo respectivamente.

Figura 2. Curva de densidad de potencia de la μSOFC.

Las pruebas del rendimiento (producción de energía por cm²) de la celda fueron realizadas a una temperatura de 780 ºC, variando el flujo del aire de 442 cm³/min (en azul) a 540 cm³/min (en rojo). En la figura 2, se observa que la máxima densidad de potencia alcanzada es de 14.04  mW/cm², una densidad de corriente (energía producida por cm²)  de 31.87 mA/cm² y un voltaje de circuito abierto (OCV) de  0.8 V usando un flujo 442 cm³/min (grafica en rojo). En la misma figura se muestran los resultados utilizando un flujo de 540 cm³/min; en ella se observa una densidad de potencia máxima de 9.93 mW/cm², una densidad de corriente de 20.52 mA/cm² y una diferencia de potencial entre electrodos de 0.84 V. En este caso la resistencia de área específica disminuyó a  para un flujo de aire de 442 cm³/min; por consiguiente, un incremento en la ASR (pérdidas óhmicas) de la celda con menor flujo de aire ( ). La ASR se calculó a partir de la pendiente negativa en la zona lineal de la curva de polarización, y de la intensidad de la corriente alcanzada.

De los resultados anteriores, es claro que la ASR para la celda resulta ser dos órdenes de magnitud más pequeña que aquella de una celda convencional de las mismas características pero con dos cámaras ( ) (Jamil et al., 2016). Sin embargo, la densidad de potencia disminuye de 55 mW/cm² a los valores antes mencionados. Esto se debe principalmente a la competencial de oxidar y reducir el combustible, y el aire respectivamente; ya que en el ánodo se debe realizar el reformado de , esto reduce el tiempo de oxidación y aumenta drásticamente las pérdidas por activación y concentración disminuyendo así la densidad de potencia en las celdas. En la figura 3 se muestran los espectros de impedancia compleja (miden la conductividad eléctrica y las pérdidas óhmicas) del electrolito en un rango de temperatura de 800^oC-600^oC. Estos espectros fueron ajustados empleando un circuito simple, el cual genera tres semicírculos en el plano complejo. Los semicírculos en el circuito, de izquierda a derecha representan la impedancia del grano, de la frontera de grano y de los electrodos. La resistencia en serie al inicio del circuito representa la resistencia debida a los cables del sistema.  A altas temperaturas los semicírculos se definen de manera absoluta. Esto se debe a que al aumentar la temperatura los tiempos de relajación en los semiconductores YSZ, GSC y SDC se reducen. Se puede afirmar que alta temperatura, donde los semicírculos se muestran bien definidos, el fenómeno electrónico es controlado por la transferencia de carga y por debajo de estas, el fenómeno es controlado por la difusión.

Figura 3. Espectros de impedancia compleja del electrolito a) YSZ 8 % mol SDC/GDC, b) YSZ 8 % mol GDC/SDC.

Conclusiones

El dispositivo presentado, muestra potencial aplicación en sistemas portátiles de consumo energético bajo como computadoras portátiles y sistemas móviles. Las técnicas de depósito de electrodos empleadas en la presente investigación son simples y escalables industrialmente.  El uso de un electrolito nanoestructurado de GDC/SDC crecido por erosión catódica de RF puede disminuir grandemente el las tensiones residuales en la celda debido al sustrato de YSZ, aumentando la vida útil del dispositivo, aunque su costo podría se elevado actualmente.