miniaturadeimagen|337x337px|Esquema de una pila de combustible de óxido sólido Una pila de combustible de óxido sólido (o SOFC, solid oxide fuel cell) es un dispositivo de conversión electroquímico que produce electricidad directamente de oxidar un combustible. Las pilas de combustible están caracterizadas por el material del electrólito; el SOFC tiene un óxido sólido o electrólito cerámico.
Las ventajas de esta clase de pilas de combustible son la alta eficacia, estabilidad a largo plazo, flexibilidad de combustible, emisiones bajas, y relativo bajo coste. La desventaja más grande es la alta temperatura operativa qué requiere tiempos de inicio más prolongados y posibles problemas de compatibilidad mecánica y química.
Introducción Las pilas de combustible de óxido sólido son una clase de células de combustible que se caracterizan por el uso de un material de óxido sólido como electrólito. Las SOFC utilizan un electrólito de óxido sólido para conducir iones de oxígeno negativo del cátodo al ánodo. La oxidación electroquímica de los iones de oxígeno con hidrógeno o monóxido de carbono así ocurre en el lado del ánodo. Más recientemente, se están desarrollando las SOFCs de conducción de protones (PC-SOFC) que transportan protones en vez de iones de oxígeno a través del electrólito con la ventaja de ser capaces de funcionar a temperaturas más bajas que las SOFCs tradicionales .
Operan a temperaturas muy altas, típicamente entre 500 y 1,000 °C. En estas temperaturas, las SOFCs no necesitan material catalizador de platino que es caro, que actualmente es necesario para células de combustible de temperatura inferior como PEMFCs, y no es vulnerable al tóxico monóxido de carbono. Aun así, la vulnerabilidad a envenenamiento por azufre ha sido ampliamente observado y el azufre tiene que ser eliminado antes de la puesta en producción.
Las pilas de combustible de óxido sólido tienen una gran variedad de aplicaciones, de utilizar como unidades de potencia auxiliar en vehículos a unidades de generación estacionarias con potencias de 100 W a 2 MW. La temperatura operativa más alta de las SOFCs las hace candidatos adecuados para aplicaciones de recuperación de energía con dispositivos de motor de calor o dispositivos combinados de potencia y calor, que aumenta el rendimiento global del combustible.
Debido a las altas temperaturas, los combustibles de hidrocarburo ligero, como metano, propano, y butano pueden ser internamente reformado dentro del ánodo. SOFCs También puede ser alimentados por hidrocarburos más pesados, como gasolina, diésel, combustible de jet (JP-8) o biocombustibles. Tales transformados son mezclas de hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, vapor y metano, formados para reaccionar los combustibles de hidrocarburo con aire o vapor en un dispositivo upstream del ánodo. Los sistemas SOFC de potencia pueden aumentar el rendimiento al utilizar el calor emitido para la oxidación electroquímica exotérmica dentro de la pila de combustible para el vapor endotérmico que transforma el proceso. Además, los combustibles sólidos como carbón y biomasa pueden ser gasificados para formar Gas de síntesis que es adecuado para alimentar SOFCs en pila de combustible de ciclos de potencia por gasificación integrada.
La expansión térmica requiere un proceso de calentamiento uniforme y bien regulado al inicio. Los stacks SOFC con geometría planar requieren del orden de una hora para ser calentadas a temperatura de encendido.
Geometría miniaturadeimagen|derecha|SOFC tubular A diferencia de la mayoría de otros tipos de pilas de combustible, las SOFCs puede tener geometrías múltiples. El diseño de geometría planar es la geometría de tipo de emparedado típica empleado por más tipos de células de combustible, donde el electrólito está empaquetado entre los electrodos. Las SOFCs también pueden estar hechas con geometrías tubulares donde cualquier aire o el combustible se pasa a través del interior del tubo y el otro gas circula a lo largo del exterior del tubo. El diseño tubular es ventajoso porque es mucho más fácil de sellar el aire respecto del combustible. El rendimiento del diseño planar es actualmente mejor que el rendimiento del diseño tubular, aun así, el diseño planar tiene una resistencia más baja comparativamente. Otras geometrías de SOFCs incluyen diseños de geometría planar modificada (MPC o MPSOFC), donde una estructura de tipo onda reemplaza la configuración plana tradicional de la célula planar. Tales diseños altamente son prometedores porque comparten las ventajas de ambos, células planares (resistencia baja) y células tubulares.
Funcionamiento thumb|300px|right|Sección transversal de tres capas cerámicas de una SOFC tubular. Del interior al exterior: cátodo poroso, electrolito denso, ánodo poroso
Una pila de combustible de óxido sólido se compone de cuatro capas, tres de las cuales son cerámicas (de ahí el nombre). Una sola pila que consiste en cuatro capas apiladas juntas es típicamente de unos pocos milímetros de espesor. Cientos de estas pilas o celdas se conectan en serie para formar lo que la mayoría de la gente denomina "pila de SOFC". Las cerámicas utilizadas en las SOFC no se vuelven eléctricamente e iónicamente activas hasta que alcanzan una temperatura muy alta y, como consecuencia, las pilas deben funcionar a temperaturas que oscilan entre 500 y 1.000 °C. La reducción de oxígeno en iones de oxígeno se produce en el cátodo. Estos iones pueden luego difundirse a través del electrolito de óxido sólido hasta el ánodo, donde pueden oxidar electroquímicamente el combustible. En esta reacción, se emite un subproducto del agua y dos electrones. Estos electrones luego fluyen a través de un circuito externo donde pueden trabajar. El ciclo se repite a medida que esos electrones ingresan nuevamente en el material del cátodo.
Ánodo La capa de ánodo cerámica tiene que ser muy porosa para dejar fluir el combustible hacia el electrólito. De este modo, el material granular es utilizado a menudo para la fabricación de ánodos. Y como el cátodo debe conducir electrones, la conductividad iónica es una ventaja definitiva. El material más común es el cermet, mezcla de níquel y material cerámico, utilizado para el electrólito, típicamente YSZ (zirconio estabilizado con itrio) catalizador basado en nanomaterial. Este elemento YSZ, ayuda a parar el crecimiento de granos de níquel. Los gránulos más grandes de níquel reducirían el área de contacto para que los iones puedan ser conducidos, lo que reduciría la eficiencia de las pilas. El ánodo es generalmente la capa más gruesa y más fuerte en cada célula individual, porque tiene las pérdidas de polarización más pequeñas, y a menudo es la capa que proporciona el soporte mecánico. Electroquímicamente hablando, el trabajo del ánodo es utilizar los iones de oxígeno que se difunden a través del electrólito para oxidar el combustible de hidrógeno.
La reacción de oxidación entre los iones de oxígeno y el hidrógeno produce calor, agua y electricidad. Si el combustible es un hidrocarburo ligero, por ejemplo metano, otra función del ánodo es actuar como catalizador para el vapor que transforma el combustible en hidrógeno. Esto proporciona otro beneficio operacional a la pila de combustible porque la reacción transformadora es endotérmica, lo que enfría la pila internamente. Los materiales con perovskita (mezcla de iones/cerámica electrónica conductora) han demostrado producir una densidad de potencia de 0.6W/cm a 0.7V y 800°C, lo cual es posible porque tienen la capacidad de vencer una energía de activación más grande.
Electrólito El electrólito es una densa capa de cerámica que conduce iones de oxígeno. Su conductividad electrónica tiene que ser mantenida tan baja como sea posible para impedir pérdidas por corrientes indeseadas. Las altas temperaturas operativas de las SOFCs permiten que la cinética del transporte de ion de oxígeno sea suficiente para un buen rendimiento. Aun así, cuando la temperatura operativa se acerca el límite más bajo, alrededor 600°C, el electrólito empieza a tener resistencias de transporte iónicas grandes y afecta el rendimiento. Materiales populares para el electrólito incluyen el zirconio estabilizado con itrio (YSZ) (a menudo al 8%, forma 8YSZ), zirconio estabilizado con scandio (ScSZ) (normalmente 9 mol%Sc2O3 @– 9ScSZ) y el cerio dopado con gadolinio (GDC). El material de electrólito tiene una influencia crucial en los rendimientos de la célula. Se han observado reacciones perjudiciales entre electrólitos YSZ y cátodos modernos como cobaltoferrita de lantano y estroncio (LSCF), que se pueden impedir con barreras de difusión de cerio delgado (<100 nm).
Si la conductividad para iones de oxígeno en SOFC puede permanecer alta incluso en temperaturas más bajas (objetivo actual búscado ~500 °C), la elección de materiales para SOFC se ampliará y muchos problemas actuales podrán ser solucionados potencialmente. Ciertas técnicas de procesamiento tales como la deposición de película delgada pueden ayudar a solucionar este problema con materiales actuales:
Reduciendo la distancia que viajan los iones de oxígeno y la resistencia del electrólito ya que la resistencia es proporcional a la longitud del conductor; Produciendo estructuras granulares menos resistivas como estructuras de grano en columna; Controlando las microstructuras nano-cristalinas de grano fino para conseguir un "ajuste fino" de propiedades eléctricas; La construcción de grandes áreas de interfase de composite como interfaces que han demostrado tener propiedades eléctricas extraordinarias.
Cátodo El cátodo, o electrodo de aire, es una capa porosa delgada en el electrólito donde se produce la reducción de oxígeno. La reacción global está escrita en notación Kröger-Vink, como sigue:
Los materiales del cátodo tienen que ser, en un mínimo, electrónicamente conductores. Actualmente, la manganita de lantano y estroncio (LSM) es el material elegido para uso comercial debido a su compatibilidad con electrólitos de zirconio dopado. Mecánicamente, tiene un coeficiente de expansión térmica similar a YSZ y así limita el estréss debido a un desequilibrio CTE. También, LSM tiene bajos niveles de reactividad química con YSZ lo que alarga la vida de los materiales. Desafortunadamente, el LSM es un mal conductor iónico, y así la reacción electroquímica activa está limitada a la frontera de fase triple (TPB) dónde el electrólito, el aire y el electrodo se juntan. El LSM funciona bien como cátodo a altas temperaturas, pero su rendimiento decae rápido al reducir la temperatura por debajo de 800 °C. Para aumentar la zona de reacción más allá del TPB, un potencial material de cátodo tiene que ser capaz de conducir tanto electrones como iones de oxígeno. Los cátodos compuestos que constan de LSM YSZ se han usado para aumentar esta longitud de frontera de fase triple. La cerámica mixta iónica/electrónica conductora, como el perovskite LSCF, está siendo investigada para uso en SOFCs a temperatura intermedia, ya que es más activa y puede hacer aumentar la energía de activación de la reacción.
Interconexión