The interrogative determiners

La integración del interconector con el resto de los componentes que forman la pila, así como su cierre o sellado, han dado lugar a numerosas configuraciones de diseños variados según cual sea su geometría, densidad de potencia y método de sellado. Se pueden englobar en dos grandes bloques, las de geometría planar y geometría tubular.

1.2.3.1. Diseño planar

En la figura 1.6 se muestran los componentes de una pila SOFC de geometría planar. Este tipo de configuración es el utilizado por la compañía Sulzer Helxis la cual trabaja en sistemas de cogeneración de electricidad y calor de 1kW para aplicaciones residenciales.

Figura 1.6. Configuración planar de una SOFC [12].

En este tipo de diseño los electrodos y el electrolito se configuran como elementos planos y delgados y, es el material de interconexión el que forma los canales por donde circulan los gases. La tendencia actual hacia la configuración en capas más

interconector ánodo electrolito cátodo Aire interconector combustible corriente Repetición de celda

síntesis y conformado de polvos finos, han contribuido a incrementar el interés en SOFCs planares.

Se clasifican en dos subgrupos: auto-soportadas (uno de los componentes de la celda, generalmente el más grueso, actúa como soporte) y soportadas externamente (la celda es configurada en capas finas sobre el interconector o un sustrato poroso). Los diversos tipos de configuraciones que pueden existir dentro de las planares auto-

soportadas están esquematizadas en la figura 1.7. Los aspectos de cada configuración se

resumen en la tabla 1.1.

Los diseños planares permiten obtener densidades de potencia por unidad de volumen tan elevadas como de 1 MW/m3_{. En su fabricación se pueden utilizar técnicas}

de procesamiento convencionales no costosas tales como el colaje en cinta o la deposición química y el control de calidad se simplifica muchísimo en cuanto a que la fabricación de cada componente se realiza de forma individual. Sin embargo, presentan algunas desventajas que deben tenerse en cuenta como es la dificultad del sellado en los bordes de la celda y el control de los gradientes de temperatura que pueden provocar su rotura.

Figura 1.7. Tipos de configuraciones planares [10], donde el electrolito es , el cátodo es , y el ánodo es . 50 μm > 300 μm < 20 μm 50 μm 50 μm > 100 μm

Soportado sobre ánodo Soportado sobre electrolito Soportado sobre cátodo

Tabla 1.1. Aspectos de las diversas configuraciones planares [10].

Una variante dentro de la configuración planar es el diseño monolítico, desarrollado por Allied Signal Aerospace. Se caracteriza porque la triple capa ánodo/electrolito/cátodo está “corrugada” en forma de zig-zag y unida a tricapas idénticas por medio del material de interconexión. Esta estructura conlleva una serie de túneles o canales por los que circulan los gases combustible y oxidante en direcciones o bien paralela o bien perpendicular, como se ilustra en la figura 1.8. Las mayores diferencias entre las dos configuraciones son la densidad de corriente y la manipulación del gas.

Configuración Ventajas Desventajas

Soportadas sobre el electrolito (>100 μm)

- Soporte estructural más fuerte por electrolito denso.

- Menor susceptibilidad a la reoxidación del ánodo.

- Mayor resistencia eléctrica debido a la baja conductividad del electrolito.

- Necesidad de altas temperaturas para minimizar pérdidas óhmicas.

Auto- soportadas

Soportadas sobre el ánodo (5-20 μm)

- Alta conductividad. - Temperaturas más bajas al utilizar electrolito delgado.

- Reoxidación del ánodo.

- Transporte de masa limitado debido al espesor del ánodo.

Soportadas sobre el cátodo (5-20 μm)

- No hay oxidación. - Temperaturas más bajas al utilizar electrolito delgado.

- Baja conductividad.

- Transporte de masa limitado debido al espesor del cátodo.

Soportadas sobre el interconector

- Temperaturas más bajas al utilizar espesores delgados de los componentes. - Estructura más fuerte.

- Oxidación del interconector. - Limitación en el diseño del flujo del gas.

Soportadas externamente

Soportadas sobre sustrato metálico poroso

- Temperaturas más bajas al utilizar espesores delgados de los componentes.

- Diseño más complejo al añadir un nuevo material.

- Dificultad de integración del soporte con la celda.

Interconector

Flujo del Oxidante

Ánodo

Flujo del combustible

Cátodo Electrolito 1.2.3.2. Diseño tubular

La geometría tubular comporta el depósito de los componentes de la pila de combustible en finas capas sobre un tubo cerámico, como se ilustra en la figura 1.9. Este diseño es el empleado en los sistemas desarrollados por Siemens Westinghouse

Power Corporation.

Inicialmente el tubo cerámico estaba constituido por el electrolito de circona estabilizada con calcia sobre el que se depositaban el ánodo y el cátodo. Posteriormente se modificó de modo que el soporte tubular estaba constituido por un tubo poroso de manganita de lantano (cátodo), sobre el que se depositaba el electrolito, el ánodo y el interconector.

Figura 1.9. Configuración de una SOFC tubular [13].

Dentro del diseño tubular están las pilas convencionales, que utilizan tubos de diámetros superiores a 15 μm, y las microtubulares que utilizan tubos de diámetros comprendidos entre 1-5 μm y espesores entre 100 y 200 μm [14].

Las ventajas principales de las pilas microtubulares frente a las tubulares convencionales son en primer lugar, la mayor densidad de potencia por unidad de

volumen y en segundo lugar que poseen una mayor resistencia al choque térmico. Son especialmente idóneas para sistemas de baja potencia y rápida respuesta, ya que su tiempo de puesta a punto es reducido.

Por el contrario, las tubulares convencionales son las que presentan, hasta la fecha, los mejores resultados en cuanto a resistencia, además de las ventajas que presentan al no necesitar el sellado. Entre sus desventajas, su densidad de potencia es menor comparada con otros diseños y los procesos de fabricación de las finas capas son más costosos lo que conlleva a la fabricación de diseños muy voluminosos y que por lo tanto requieren una puesta a punto más lenta.