ES2292313B1 - Celda de combustible de oxido solido con soporte ferritico. - Google Patents
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Abstract
Celda de combustible de óxido sólido con soporte
ferrítico.
Celda de una pila de combustible de óxido sólido
que comprende un soporte ferrítico (2), un primer electrodo (3)
depositado sobre dicho soporte ferrítico, un electrolito (4)
depositado sobre dicho primer electrodo (3), y un segundo electrodo
(5) depositado sobre dicho electrolito (4). La celda comprende,
entre el primer electrodo (3) y el soporte ferrítico (2), una
barrera de contención (6) que comprende ceria.
Description
Celda de combustible de óxido sólido con soporte
ferrítico.
La presente invención se refiere a celdas de
combustible de óxido sólido, y más concretamente a celdas de
combustible de óxido sólido que comprenden un soporte
ferrítico.
Son conocidas las celdas de combustible de óxido
sólido ("solid oxide fuel cells"), las cuales comprenden un
primer electrodo que actúa como ánodo, un segundo electrodo que
actúa como cátodo y un electrolito. Dependiendo del soporte
utilizado en dichas celdas, existen celdas de soporte catódico,
soporte anódico y soporte electrolito. Hay también celdas que
comprenden un soporte metálico.
US 6,794,075 describe una celda de combustible
de óxido sólido con un soporte metálico, más concretamente un
soporte ferrítico de acero inoxidable. Divulga una celda de
combustible de óxido sólido de temperatura intermedia, estando su
temperatura de trabajo en torno a los 500ºC. El proceso de
sinterizado de este tipo de celdas se lleva a cabo a temperaturas
no superiores a 1000ºC.
En las celdas de combustible de óxido sólido se
emplean combustibles tales como gas natural, gases licuados del
petróleo y gasóleo. Para poder ser utilizados en este tipo de
celdas, dichos combustibles han de ser transformados mediante un
proceso de reformado en una mezcla que comprende hidrógeno,
monóxido y dióxido de carbono, y agua. Estos procesos de reformado
requieren temperaturas elevadas (de 600ºC a 900ºC).
El objeto de la invención es el de proporcionar
una celda de combustible de óxido sólido que comprenda un soporte
metálico, y que tenga una temperatura de trabajo suficientemente
baja para evitar problemas de oxidación en el soporte metálico, y
suficientemente alta para tener un nivel térmico suficiente para
conseguir producir gas de reformado con el mínimo aporte externo de
calor.
La celda de combustible de la invención
comprende pues un soporte metálico, más concretamente un soporte
ferrítico, un primer electrodo depositado sobre dicho soporte
ferrítico, un electrolito depositado sobre dicho primer electrodo,
y un segundo electrodo depositado sobre dicho electrolito. La celda
de combustible de la invención comprende además, entre el primer
electrodo y el soporte ferrítico, una barrera de contención que
comprende ceria.
La celda de combustible de la invención ha de
tener una temperatura de sinterización superior a los 1100ºC para
poder densificar el electrolito, y la atmósfera de sinterizado ha
de ser reductora o inerte. De no emplearse la barrera de contención
de ceria, a dichas temperaturas el cromo y el hierro del soporte
ferrítico se difundirían al primer electrodo, afectando seriamente
a la estabilidad y a la actividad catalítica de dicho primer
electrodo.
La barrera de ceria evita la difusión del cromo
y del hierro y además tiene las siguientes características:
- -
- Es un material poroso, con lo cual permite el paso de gas a través suyo.
- -
- Tiene alta conductividad eléctrica.
- -
- Tiene un coeficiente de expansión térmica similar al coeficiente de expansión térmica del soporte ferrítico, del primer electrodo y del electrolito.
- -
- Tiene compatibilidad química con el soporte ferrítico y con el primer electrodo, que normalmente comprende Ni-YSZ o un material equivalente como Ni-SsZ, Ni-YDC o Ni-SDC.
Por lo tanto, la celda de combustible de la
invención comprende un soporte metálico en lugar de un soporte
cerámico, con el consiguiente ahorro de costes, además tiene una
temperatura de trabajo lo suficientemente elevada como para que no
sean necesarios medios de calentamiento adicionales para reformar
el combustible, y todo ello sin que haya problemas de difusión
durante el proceso de sinterizado.
Estas y otras ventajas y características de la
invención se harán evidentes a la vista de la figura y de la
descripción detallada de la invención.
La Fig. 1 es una sección transversal de una
celda de combustible de óxido sólido según la invención.
Según se muestra en la figura 1, la celda de
combustible de óxido sólido 1 de la invención comprende un soporte
ferrítico 2, un primer electrodo 3 depositado sobre dicho soporte
ferrítico, un electrolito 4 depositado sobre dicho primer electrodo
3, y un segundo electrodo 5 depositado sobre dicho electrolito 4.
La celda 1 comprende también, entre el primer electrodo 3 y el
soporte ferrítico 2, una barrera de contención 6 que comprende
ceria.
En una realización de la invención, el primer
electrodo 3 es el ánodo y el segundo electrodo 5 es el cátodo. En
una realización preferente, dicho primer electrodo 3 comprende
Ni-YSZ y el electrolito 4 comprende YSZ. El soporte
ferrítico 2 ha de tener un coeficiente de expansión térmica similar
al coeficiente de expansión térmica del electrolito 4, que
comprende YSZ en este caso, teniendo dicho soporte ferrítico 2 un
porcentaje de cromo entre el 16% y el 30% en peso. El espesor de
dicho soporte ferrítico 2 ha de estar comprendido preferiblemente
entre 100 micras y 1 milímetro, y ha de tener una porosidad de
entre el 20% y el 55%.
Durante el proceso de fabricación de la celda,
sobre dicho soporte ferrítico 2, al que previamente se le ha
añadido la barrera de contención 6, se deposita
NiO-YSZ con un porcentaje de NiO de entre el 30% y
el 60% en volumen, preferiblemente en torno al 50%, y con una
porosidad final de entre el 20% y el 50%. El espesor del electrodo
3 resultante puede variar entre 5 y 30 micras. Sobre dicho
electrodo 3 se deposita el electrolito, cuyo espesor puede variar
entre 5 y 20 micras, siendo preferiblemente de 10 micras. Durante
el proceso de sinterización, que se realiza en atmósfera reductora
o inerte, el NiO-YSZ se convierte en
Ni-YSZ.
El electrodo 3 de la celda 1 de la invención
puede comprender, en lugar de Ni-YSZ, un material
equivalente como por ejemplo Ni-ScsZ,
Ni-YDC o Ni-SDC. Igualmente, el
electrolito 3 puede comprender, en lugar de YSZ, un material
equivalente como por ejemplo SsZ, YDC o SDC.
En una primera realización de la invención, la
barrera de contención 6 comprende ceria dopada con tierras raras.
Preferiblemente, la ceria dopada con tierras raras comprende
Ce_{1-x}RE_{x}O_{2-x/2}, donde
RE es una tierra rara y X puede variar entre 0.05 y 0.3. Dicha
tierra rara es preferiblemente Ytrio, Samario o Gadolinio.
En una segunda realización de la invención, la
ceria de la barrera de contención 6 no está dopada con tierras
raras, comprendiendo dicha barrera de contención 6 óxido de
ceria.
El espesor de la barrera de contención de ceria
está comprendido entre 1 micra y 20 micras. En una realización
preferente, dicho espesor es de aproximadamente 5 micras.
Claims (8)
1. Celda de combustible de óxido sólido que
comprende un soporte ferrítico (2),
un primer electrodo (3) depositado sobre dicho
soporte ferrítico,
un electrolito (4) depositado sobre dicho primer
electrodo (3), y
un segundo electrodo (5) depositado sobre dicho
electrolito (4),
caracterizada porque comprende, entre el
primer electrodo (3) y el soporte ferrítico (2), una barrera de
contención (6) que comprende ceria o ceria dopada.
2. Celda de combustible según la reivindicación
1, en donde el electrolito (4) comprende YSZ o un material
equivalente y el primer electrodo (3) comprende
Ni-YSZ o un material equivalente.
3. Celda de combustible según las
reivindicaciones 1 o 2, en donde la barrera de contención (6)
comprende ceria dopada con tierras raras.
4. Celda de combustible según la reivindicación
3, en donde la ceria dopada con tierras raras comprende
Ce_{1-x}RE_{x}
O_{2-x/2}, donde RE es una tierra rara y X puede variar entre 0.05 y 0.3.
O_{2-x/2}, donde RE es una tierra rara y X puede variar entre 0.05 y 0.3.
5. Celda de combustible según la reivindicación
4, en donde la tierra rara comprende Ytrio, Samario o
Gadolinio.
6. Celda de combustible según las
reivindicaciones 1 o 2, en donde la barrera de contención (6)
comprende óxido de ceria.
7. Celda de combustible según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en donde la barrera de contención (6)
tiene un espesor comprendido entre 1 micra y 20 micras.
8. Celda de combustible según la reivindicación
anterior, en donde la barrera de contención (6) tiene un espesor de
aproximadamente 5 micras.
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