Procesado y caracterización de láminas delgadas de materiales cerámicos para su uso en pilas de combustible

Abstract

Las pilas de combustible de óxidos sólidos (SOFCs) (del inglés Solid Oxide Fuel Cells) se basan en la capacidad de ciertos óxidos de permitir el transporte de iones óxido a temperaturas moderadamente altas, de unos 600-1000ºC. Las pilas de combustible son caracterizadas por el material del electrólito, siendo la característica más relevante, que el material que lo compone, es un óxido sólido cerámico y los electrodos son también sólidos. Dentro de estos materiales, la tesis se ha centrado en el desarrollo y caracterización de compuestos derivados del óxido de Zr dopado con Y (8-YSZ) de uso comercial, y derivados de óxido de Ce dopado con Gd (CGO): Ce0.9Gd0.1O1.95 y Ce0.9Gd0.2O1.95 obtenidos por síntesis. Las SOFCs son el único tipo de pilas que tienen el rango de potencial suficiente como para ser integrado en un campo de aplicaciones muy amplio, desde dispositivos portátiles (sistemas de 20W), hasta plantas de generación de energía (sistemas de 100-500 kW). En ocasiones también pueden estar integradas con una turbina de gas para dar sistemas híbridos presurizados de varios cientos de kW o incluso multi-MW. La obtención de electrolitos delgados y densos, es clave para la producción de pilas que ofrezcan altas densidades de corriente y potencia. Las pilas convencionales que emplean como soporte el electrolito, obligan a emplear electrolitos con un espesor mínimo de 100μm, con el fin de obtener una mínima garantía de resistencia mecánica. Esta configuración requiere generalmente una temperatura de trabajo próxima a los 1000ºC para obtener un alto rendimiento. Esta elevada y costosa temperatura puede verse reducida si se emplean electrolitos más delgados. Si se quiere trabajar a una temperatura inferior a los 800ºC, es necesario reducir el grosor del electrolito para minimizar las pérdidas óhmicas, que son causadas por la resistencia a la conducción de iones a través del electrolito. La elección de los componentes de las pilas de combustible está limitada por la temperatura de operación, pero también por la compatibilidad química y mecánica de los diferentes materiales que las componen. Las reacciones químicas entre los componentes podrían formar fases secundarias en las interfases, bajando el rendimiento de la pila. Además los coeficientes de expansión térmica de los materiales deben ser similares para evitar grietas y delaminaciones en el ciclo térmico de las pilas. Partiendo de la base de que el objetivo final sería la conformación de una pila que opere a temperatura intermedia (600-800ºC), las investigaciones que se están realizando últimamente en pilas de óxidos sólidos (SOFC), no tienen como único objetivo la búsqueda de materiales que produzcan las mejores prestaciones, también es fundamental el desarrollo del ensamblaje...