Conferencia: Nuevos Materiales para Ánodos de Celdas de Combustible de Óxido Sólido

MARÍA G. ZIMICZ; DIEGO G. LAMAS; SUSANA A. LARRONDO

San Juan, Pcia. San Juan, Argentina

Congreso; Tercer Congreso Nacional, Segundo Congreso Iberoamericano Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía HYFUSEN 2009; 2009

Instituto de Energía y Desarrollo Sustentable - CNEA

Uno de los desafíos más importantes para el avance tecnológico en el campo de las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC), es el desarrollo de materiales de ánodo con propiedades electrocatalíticas adecuadas para la operación estable a temperaturas intermedias (600-700ºC). El logro de este objetivo permitirá reducir en forma drástica los costos de materiales de interconexión y los problemas de degradación térmica del material anódico. En este trabajo se presentan la síntesis, la caracterización, el desempeño electro-catalítico en atmósfera de H2 y el desempeño catalítico en las reacciones de oxidación total y parcial  de metano de óxidos mixtos de composición Ce0.9Zr0.1O2 impregnados con diferentes contenidos de NiO. El material de soporte es un polvo nanoestructurado de composición Ce0.9Zr0.1O2 (ZDC) sintetizado mediante el método de gelificación-combustión nitrato-glicina a pH-controlado. Este sólido es impregnado con solución de Ni(NO3)2 para obtener el contenido nominal deseado, y calcinado a 1000ºC durante dos horas para obtener NiO. Se utilizaron técnicas de reducción a temperatura programada con H2, difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido, para caracterizar las muestras obtenidas. En los ensayos electro-catalíticos se ensayaron ánodos de ZDC, con diferentes contenidos de Ni (40, 50 y 60 % peso NiO). Estos sólidos fueron mezclados con un vehículo apropiado y la pintura obtenida fue depositada sobre la superficie de electrolitos de Ceria Dopada con Samario (SDC). Se ensayaron diferentes temperaturas de fijado. Los estudios electro-catalíticos se realizaron utilizando la técnica de espectroscopía de impedancia, con configuración de celda simétrica (ánodo/electrolito/ánodo), en atmósfera húmeda (3%H2O) de H2 diluido (5% H2/Ar) e  H2 puro, en el rango de temperatura de 500 a 800ºC. Los estudios en H2 diluido permitieron optimizar la temperatura de fijado y el contenido de Ni de los diferentes ánodos, resultando óptimos los valores de 1000ºC y 60% en peso de NiO, respectivamente. Posteriormente, los ánodos óptimos se midieron en H2 puro, obteniéndose valores de resistencia de polarización específica (ASR) de 0,08 Wcm2 a 600ºC. Los mejores valores de ASR reportados en la literatura, para ánodos convencionales basados en el óxido de cerio, son del orden de 0,20 Wcm2 a 600ºC. Los excelentes valores de ASR de los ánodos de ZDC los potencian como materiales de ánodo de celdas SOFC de temperatura intermedia. El material con mejores propiedades electro-catalíticas en atmósfera de H2 fue probado en las reacciones de oxidación total y parcial de metano. Los ensayos catalíticos mostraron que, con relaciones molares CH4:O2 en la alimentación de 1:2 el soporte es un excelente catalizador de la reacción de oxidación completa de CH4 alcanzando un 80% de conversión a 700ºC, mientras que el composite 60%NiO/Ce0.9Zr0.1O2 exhibe una conversión del 10% a esa temperatura. Esta disminución en la conversión se debe a que el NiO bloquea los sitios activos del óxido de Ce-Zr donde se produce la reacción de oxidación del CH4. Al disminuir la concentración de oxígeno en la alimentación y llegar a la relación molar CH4:O2 de 2:1, que corresponde a la estequiometría de la reacción de oxidación parcial, la conversión llega a 100% mostrando que el composite 60%NiO/Ce0.9Zr0.1O2 es un excelente catalizador para la reacción de oxidación parcial del CH4.