Una vez obtenidos y caracterizados los materiales de ánodo y/o cátodo, se mide su rendimiento haciéndolos funcionar como una celda de combustible, en condiciones reales. Se ha utilizado la disposición soportada sobre electrolito, en la que sobre una
pastilla de este material, adelgazada lo más posible para obtener un rendimiento máximo, se depositan ánodo y cátodo a ambos lados del disco, mediante la aplicación de tintas de los óxidos que constituirán los electrodos.
Para la preparación de las monoceldas, se utilizó como electrolito La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17O3-δ (LSGM). La densificación de los discos requiere de varias
etapas previas de empastillado y calcinación en aire (1000 ºC durante 20 h y 1200 ºC durante 20 h) con molienda entre cada etapa; la etapa definitiva se realizó mediante calcinado en aire a 1450 ºC durante 20 horas con una rampa de subida y bajada de 8 y 6 horas, respectivamente. Una vez obtenidas las pastillas de LSGM (diámetro y anchura próximos a 20 mm y 3 mm, respectivamente; Figura II.28) se pulieron con un equipo SMART CUT LP, que consta de una rueda de diamante con la que es posible obtener la anchura determinada de trabajo, que está próxima a las 300 micras, para que la resistencia del electrolito sea lo mínima posible. Espesores inferiores a éste comprometen seriamente la resistencia mecánica de las pastillas.
Figura II.28. Pastillas de LSGM después de la sinterización y antes del pulido. Vista de la parte
anódica y catódica de una pastilla de LSGM con la rejilla y los hilos de Pt.
Tras pulir la pastilla de electrolito se deposita sobre una cara una buffer-layer (destinada a evitar interdifusión iónica entre electrolito y electrodo). La tinta está constituida por una suspensión en terpineol o
V-006 (de Heraeus) del óxido, en nuestro caso
La0.4Ce0.6O2 (“lanthanum doped cerium”, LDC), previamente tratado en un molino debolas. La proporción de las tintas incluye 3 partes de óxido por 2 de V-006. La adhesión entre la buffer-layer y el electrolito se obtuvo mediante el calcinado en aire a una
temperatura de 1300 ºC. El ánodo se depositó sobre la buffer-layer, elaborando una tinta como se ha descrito anteriormente. La adhesión entre el ánodo y la buffer-layer o el electrolito, se obtuvo mediante el calcinado en aire en un rango de temperaturas de entre 1100 y 1200 ºC. El cátodo se depositó sobre la otra cara previa elaboración de la tinta correspondiente, tras moler el cátodo en molino de bolas. La adhesión entre el cátodo y el electrolito se logró mediante un calcinado en aire dentro de un rango de temperaturas de 1050 a 1150ºC.
Para las distintas etapas de adhesión entre los componentes de la celda, se mantuvo en todos los casos el mismo programa de calentamiento y enfriamiento, que se recoge en la Figura II.29. Este tratamiento dio lugar a la conformación siguiente para la monocelda: ánodo/buffer-layer/electrolito/cátodo.
Figura II.29. Tratamiento térmico para la consolidación de las tintas de ánodo, buffer-layer y
cátodo sobre el sustrato de LSGM
El área de trabajo del electrodo de la monocelda es de 0.24 cm2 (0.6 cm x 0.4 cm). Una
rejilla de Pt con un hilo de Pt entrecruzado se utilizó como colector de corriente en el lado aniónico y catódico; la rejilla se fijó con unas pequeñas cantidades de pasta de Pt en puntos separados para asegurar el contacto eléctrico. La Figura II.28 ilustra una vista de la parte anódica y catódica de una pastilla de LSGM con la rejilla y los hilos de Pt.
Una vez que la pastilla está preparada, se monta en un tubo de alúmina para poder realizar las medidas como celda de combustible. Para ello, primeramente se pega un anillo de vidrio de entre 2 y 3 mm encima del tubo de alúmina, para aliviar las tensiones entre la pastilla y el tubo de alúmina durante el calentamiento de la celda.
Después se pega la pastilla de electrolito encima del anillo de vidrio, situando el cátodo hacia arriba y el ánodo hacia abajo. Seguidamente, se pega un capuchón de alúmina encima de la pastilla para protegerla de posibles golpes. Como última etapa, se cubre el anillo de vidrio con una pasta de polvo de vidrio. Esta pasta va a funcionar como sello para evitar fugas del combustible que inutilizarían la celda. Los hilos de Pt de la parte anódica y catódica se conectan a sendos cables de Pt enfundados en varillas de alúmina. La Figura II.30 muestra un corte transversal de una monocelda. La vista final de la monocelda real se ilustra en la Figura II.31.a. Una vez seca la pasta sellante se coloca la celda en un horno tubular vertical (Figura II.31.b) y se calienta con una rampa de 3 ºCmin-1 hasta la temperatura de trabajo.
Figura II.30. Corte transversal de una monocelda.
Antes de medir la potencia de la celda se debe registrar la diferencia de potencial generada por la celda con el tiempo, en circuito abierto, es decir, sin paso de corriente, lo que se conoce como potencial en circuito abierto (“open circuit voltaje”, OCV). Este potencial dependerá básicamente de las presiones parciales de oxígeno, a ambos lado de la celda y de la temperatura, según la ecuación de Nerst. Durante la rampa de calentamiento se hace pasar una corriente de 5% H2 por el ánodo, que permite reducir
este óxido a la fase activa. La primera medida de OCV con H2 diluido ya permite
sellada se puede proceder a trabajar con H2 puro y se empieza a medir en el rango de
temperaturas establecido (normalmente entre 750 y 850 ºC).
Figura II.31. a) Montaje final de una celda. b) Horno tubular y celda
A continuación, se registran las curvas corriente-voltaje, Figura II.32, a cada temperatura y bajo una atmósfera de H2 puro, con un Potensiostato-Galvanostato
AUTOLAB 302N cambiando el voltaje de la monocelda desde OCV a 0.1 V, con pasos de 0.010 V, esperando 10 segundos en cada paso. A partir de las mismas, normalizando la densidad de corriente para la superficie de trabajo, se obtiene la correspondiente densidad de potencia como producto de la tensión por la densidad de corriente, lo que permite evaluar el rendimiento de la monocelda.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Voltaje d e celda (V)
Densidad de corriente (A/cm2) 850ºC 800ºC 750ºC Potencia (W /cm 2 ) H2 puro 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Figura II.32. Curvas corriente-potencial de una pila SOFC y sus correspondientes curvas de
[1] M.Pechini, U. S. Pat. No.3 330 (1967) 697.
[2] P. A. Lessing, Am. Ceram. Soc. Bull. 68 (5) (1989) 1002.
[3] Tesis Doctoral Jesús Palma del Val, Universidad Autónoma de Madrid, (1994). [4] W. H. Bragg, W.L. Bragg, X-rays and crystal structure, G. Bell and Sons, ltd., (1915) [5] Nobel Lectures, Physics 1901-1921, Elsevier Publishing Company, Amsterdam, (1967) [6] F. Perrins, W.M. Elsasser, Journal de physique et le radium 6 (1935) 194.
[7] W. M. Elsasser, C. R. Acad. Sci. Paris 202 (1936) 1029
[8] G. L. Squires, “Introduction to the Theory of Thermal Neutron Scattering”. Cambridge. 1978 [9] G.E. Bacon, “Neutron Diffraction”, Clarendon Press, Oxford (1975)
[10] Neutron News, 3 (3) (1992) 29-37.
[11] Institut Laue-Langevin, Grenoble (France) http://www.ill.eu/ [12] Paul Scherrer Institut, Villigen PSI (Switzerland) http://www.psi.ch/ [13] H. M. Rietveld, Acta Crystallogr. 22 (1967) 151
[14] H. M. Rietveld, J. Appl. Crystallogr. 2 (1969) 65 [15] J. Rodríguez-Carvajal, Physica B, 192 (1993) 55 [16] J. Rodríguez-Carvajal, “FullProf user´s guide” (1998)
[17] R.A. Young, ed. The Rietveld Meted. New York: International Union of Crystallography, Oxford University Press Inc., (1995)
[18] I. D. Brown, Structure and bonding in crystals, New York, 2 (1981) 1-30 [19] I. D. Brown y R. D. Shannon, Acta Crystallogr. B 41, 1985, 244. [20] I. D. Brown y D. Altermatt, Acta Crystallogr. B 41, 1988, 244. [21 ]N. E. Brese, M. O`Keefe, Acta Crystallogr. B 47, 1991, 192 [22] B. D. Josephson, Phys. Lett. 1 (1962) 251.
[23] F. Tietz. Solid State Ionics 5 1-2 (1999) 129-139
[24] R.E. Whan, "Metal Handbook Ninth Edition, Vol. 10 Materials Characterization" American Society for Metals, 1983.
[25] Lord Kelvin, Nature, 51 (1894-5), 438-40