Estudio de óxidos cerámicos conductores protónicos
En esta tesis se obtuvieron y caracterizaron posibles materiales para Celdas Combustibles de óxido solido conductoras protónicas (Proton Conducting Solid Oxide Fuel Cell PC-SOFC). Principalmente, se estudiaron materiales de electrolito y en menor medida materiales de cátodo. Se espera que las PC-SO...
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| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2017
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1087/1/1Basbus.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | En esta tesis se obtuvieron y caracterizaron posibles materiales para Celdas Combustibles de óxido solido conductoras protónicas (Proton Conducting Solid Oxide Fuel Cell PC-SOFC). Principalmente, se estudiaron materiales de electrolito y en menor medida materiales de cátodo.
Se espera que las PC-SOFC operen a menores temperaturas y posean mayores eficiencias con respecto a las SOFC e IT-SOFC. Los ceratos de bario presentan interesantes características como electrolitos conductores protónicos para PC-SOFC. Se reportó que la inclusión de Pr disminuye las temperaturas de sinterizado en los ceratos y zirconatos de bario, pero introduciría conductividad electrónica. Se evaluó el efecto de la sustitución parcial de Ce por Pr en la perovskita BaCe_1-xPr_xO_3-δ (x = 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8), en sus propiedades cristalográficas, morfológicas, mecánicas y eléctricas. Se observó que el incremento de Pr en la estructura disminuye la distorsión ortorrómbica, mejora el sinterizado e incrementa la conductividad total en atmósfera oxidante húmeda. Sin embargo, el contenido de Pr disminuye la estabilidad en atmósfera reductora y reduce el rango de tolerancia al CO_2. El compuesto BaCe_0.8Pr_0.2O_3−δ (BCP) mostró las mejores características de la serie estudiada, es decir, baja porosidad, tamaño de grano micrométrico, mayor resistencia mecánica, buena tolerancia en atmósferas oxidantes y reductoras, y mayor resistencia al CO_2. Sin embargo, BCP indicó conductividad mixta dominada por huecos y vacancias de oxígeno en aire sintético entre 100 y 600 °C. Por otro lado, BCP mostró conductividad protónica en atmósfera reductora acompañada por un brusco cambio en el volumen de la celda unidad.
Recientemente se propuso a la perovskita BaCe_0.4Zr_0.4Y_0.2O_3-δ (BCZY) como electrolito para PC-SOFC por su alta conductividad protónica de bulk y su excelente tolerancia el CO_2. Sin embargo, este compuesto presenta una baja conductividad de borde de grano y una alta temperatura de sinterizado (1500-1700 °C). La aplicación de BCZY en una PC-SOFC requiere del estudio sistemático en diferentes condiciones. Por lo tanto, se caracterizaron las propiedades de alta temperatura de BCZY, como la estructura cristalina, no estequiometria de oxígeno, la expansión lineal y resistencia eléctrica en atmósferas oxidantes y reductoras. BCZY mostró cambios de comportamiento en las propiedades eléctricas y en la expansión térmica lineal dependiendo de la naturaleza de la atmósfera y del vapor de agua. BCZY presentó una alta conductividad protónica de bulk y buena tolerancia al CO_2, pero la baja conductividad de borde de grano podría ser una limitante. Por lo tanto, este compuesto podría ser utilizado como electrolito para PC-SOFC y como membranas para separación isotópica siempre que se pueda procesar en forma de películas delgadas con una contribución limitada de los bordes de grano
Con el objetivo de bloquear la conductividad electrónica y mejorar la resistencia al CO_2 de BCP, se depositó una película de BCZY sobre BCP (material bicapa). A partir de la caracterización electroquímica de BCP, BCZY y del material bicapa se determinó que BCP dominaría los mecanismos de transporte en el material bicapa en aire sintético e hidrogeno diluido y la película de BCZY bloquearía la conducción electrónica de BCP en aire húmedo. BCP y BCZY poseen TECs compatibles por debajo de 400 °C, por lo que el material bicapa podría operar alrededor de 400-600 °C.
Las perovskitas Ba_0.5Sr_0.5Fe_0.8M_0.2O_3-δ (M = Co, Ni, Cu, Zn) fueron propuestas como cátodos para SOFC entre 600 y 800 °C (IT-SOFC).
Se reportó que la sustitución de Co por metales de transición disminuye la expansión térmica lineal y la degradación química. No se encontró un estudio sistemático de estos compuestos, por lo que se caracterizaron las propiedades de alta temperatura de estos materiales. Las perovskitas Ba_0.5Sr_0.5Fe_0.8M_0.2O_3-δ (M = Co, Ni, Cu y Zn), mostraron que la conductividad eléctrica aumenta con el número atómico, (excepto para Zn), los valores de expansión térmica lineal son superiores a la mayoría de los electrolitos comunes, incluso a los estudiados en esta tesis (BCP y BCZY). Se determinó que el compuesto Ba_0.5Sr_0.5Fe_0.8Cu_0.2O_3-δ (BSFCu) posee las mejores características de la serie estudiada y se reportó que este compuesto podría ser utilizado como cátodo para PC-SOFC.
A partir de los resultados obtenidos, se propone la construcción de una PC-SOFC con la siguiente estructura multicapa: Ni-BCZY/BCZY/BCP/BCP-BSFCu/BSFCu dentro del rango 400-600 °C. Los electrolitos BCZY y BCP podrían utilizarse en la industria nuclear y/o petroquímica como membranas para la producción de H_2, membranas para la separación isotópica de H/D/T en desechos nucleares, y PC-SOFC para la cogeneración de energía.
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