Instituto de Investigaciones en Materiales, UNAM. Dr. José Álvaro Chávez Carvayar

Transcripción

1 Dr. José Álvaro Chávez Carvayar Energías renovables UNAM-CINVESTAV Torre de Ingeniería, UNAM Abril 2, 2009

2 Celdas de combustible Electricidad Combustible Oxidante Ánodo Electrolito Cátodo Agu a Las celdas de combustible son reactores electroquímicos donde la energía química se transforma directamente en electricidad debido a la combinación de un combustible y un oxidante sin que medie ningún proceso de combustión.

3 Tipos de celdas Eficiencia eléctrica del sistema Electrolito Alcalinas (AFC) Solución acuosa de hidróxido de potasio OH % Vehículos espaciales, industria automotriz Membrana de intercambio protónico (PEMFC) Ácido fosfórico (PAFC) Polímero sólido (Nafión) H % Vehículos y aplicaciones móviles H % Transportació n eléctrica Carbonatos fundidos (MCFC) Litio y carbonato de potasio CO >50% Fuentes de poder estacionarias Óxidos sólidos (SOFC) Óxido sólido (YSZ, SDC) O >50% Fuentes de poder estacionarias Ácido fosfórico Portado r de carga Temperatura de operación (ºC) Tipo de celda de combustible Aplicación

4 Materiales bajo estudio Componente de la celda Materiales Coeficiente de expansión térmica Electrolito Ce0.8Sm0.2O CeO2 8 mol% YSZ LaMnO3 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-x Ánodo Ni-YSZ (Ni vol%) Interconectores Fe-Cr-Ni (aleación) La0.8Sr0.2Cr O Cátodo La0.8Sr0.2 MnO3 La0.9Cr0.1Mg0.1O3 En adición a la conductividad eléctrica, las propiedades térmica y mecánicas del electrolito sólido son factores importantes para el diseño de la estructura de una SOFC. El coeficiente de expansión térmica entre los componentes de una SOFC deben ser similares para prevenir un posible desgaste o agrietamiento durante el ciclo de funcionamiento de la celda.

5 Celdas de Combustible de Óxidos Sólidos Vista transversal de una celda de combustible de óxidos sólidos.

6 Objetivo El objetivo principal de este trabajo de investigación consiste en la síntesis y caracterización de una solución sólida a base de ceria, dopada con samario para su potencial aplicación como electrolito sólido en celdas de combustible de óxidos sólidos (SOFC), para reducir la temperatura de operación de las mismas.

7 Características de un electrolito sólido Buen conductor iónico. Poca o ninguna conducción electrónica. Denso ( >95% ). Químicamente estable en ambientes reductores y oxidantes Estable a altas temperaturas. Expansión térmica similar a la de los electrodos.

8 Características de un electrolito sólido Buen conductor iónico. Poca o ninguna conducción electrónica. Denso ( >95% ). Químicamente estable en ambientes reductores y oxidantes Estable a altas temperaturas. Expansión térmica similar a la de los electrodos.

9 Electrolitos sólidos para SOFC Actualmente, los conductores iónicos utilizados como electrolitos para SOFC se basan en materiales con una estructura tipo fluorita, tal es el caso de la circonia (ZrO2) estabilizada con itria (Y2O3) y los materiales basados en ceria (CeO2). Material del electrolito σión (Scm 1) Temperatura (ºC) YSZ Base ceria Comparada con la circonia, la ceria muestra una mayor conductividad, particularmente a temperaturas más bajas.

10 Electrolitos sólidos para SOFC La estructura de fluorita formada por el CeO2 puro posee una conductividad iónica muy baja.

11 Características de un electrolito sólido Buen conductor iónico. Poca o ninguna conducción electrónica. Denso ( >95% ). Químicamente estable en ambientes reductores y oxidantes Estable a altas temperaturas Expansión térmica similar a la de los electrodos

12 Objetivos específicos Sintetizar polvos nanométricos de la solución sólida de Ce1 xsmxo2 δ

13 Sol-Gel

14 Síntesis del compuesto Ce(NO3)3 6H20 + Sm(NO3)3 6H20 H20 Ácido cítrico Hidróxido de Amonio ph(6-7) Etilenglicol Calentar a 80ºC Resina Carbonizar a 250ºC Calcinar 600ªC Aglomerado de polvo homogéneo

15 Técnicas de Caracterización Propiedades Estructurales Difracción de Rayos X Morfología Microscopia Electrónica de Barrido (SEM) Microscopia de Fuerza Atómica (AFM) Microscopia Electrónica de Transmisión (TEM) Identificación elemental por discriminación de energía (EDS) Propiedades de transporte Espectroscopía de Impedancias

16 Resultados Preliminares

17 Difracción de Rayos X Difractogramas de la solución sólida de Ce1 x Smx O2 δ, tratadas a 600ºC.

18 Microscopia Electrónica de Barrido a) 300 nm b) 2 μm Micrografías de la muestra Ce0.85Sm0.15O2 δ con distintos tratamientos térmicos: a) 600ºC y b) 1450ºC.

19 Microscopia de Fuerza Atómica 50 nm Morfología de nanopartículas de Ce0.85Sm0.15O2 δtratadas a 600ºC.

20 Microscopia de Fuerza Atómica Perfilometría de la solución sólida Ce0.85Sm0.15O2 δ.

21 Microscopia de Fuerza Atómica 2 μm 50 nm Morfología de nanopartículas de Ce0.85Sm0.15O2 δ sinterizadas a 1450ºC.

22 tificación elemental por discriminación de energía (E ( Identificación de los elementos contenidos en una muestra de Ce1 xsmxo2 δ.

23 Espectroscopia de Impedancias V = V0 e I = I0 e Teoría a.c. jωt j (ω t + φ ) Espectroscopía de Impedancias Muestra ω : Hz Impedancia Z*= V I = Z0 e Z* = Z -Z jφ

24 Espectroscopia de Impedancias Modelo de capas en serie Electrolito sólido σ : Scm-1 Material policristalino Fase 1 Fase 2 Muestra iones pueden moverse con facilidad a través de túneles o capas Circuito equivalente asociado

25 Espectroscopia de Impedancias Electrolito policristalino ideal con electrodos bloqueantes S d Grano S σ= dr Frontera de Grano Circuito equivalente asociado Gráfica de Arrhenius

26 Gracias por su atención