Comportamiento del soporte metálico (crofer) en condiciones anódicas de oxidación

Resumen

Las pilas de combustible son aparatos diseñados para convertir la energía química de un combustible en electricidad y calor. Las de óxido sólido (SOFC) son de materiales cerámicos y trabajan a temperaturas por encima de 600ºC. Con el objetivo de reducir los gastos de producción de las SOFC, la investigación se ha dirigido a bajar esta temperatura de funcionamiento por debajo de 800ºC, reemplazando los componentes cerámicos por metálicos de parecido coeficiente de expansión térmica (CET). Algunos aceros inoxidables ferríticos semi-comerciales tienen estos CET. El Crofer (ThyssenKrupp VDM GmbH) puede ser considerado como el material metálico de referencia para interconectores de SOFC trabajando a menos de 800°C. Gracias a su CET, puede ser usado para reemplazar el interconector y el soporte cerámicos. Varios grupos de investigación, usan sustratos porosos con la misma composición del Crofer (material pulvimetalurgia de H.C. Starck GmbH) a modo de soportes metálicos para sus SOFC. Los primeros ensayos en Ikerlan se llevaron a cabo con muestras densas (dos aceros ferríticos semi-comerciales diferentes y acero inoxidable en polvo de AMETEK sinterizado en discos hasta muy alta densidad) e incluyeron ensayos de oxidación en aire a 800 ◦C y medidas de resistencia eléctrica superficial de contacto (area specific resistance, ASR), comparando técnicas electroquímicas (electrochemical impedance spectroscopy, EIS) con el método tradicional de cuatro hilos. Los mejores resultados se obtuvieron con el Crofer, obteniéndose resultados comparables a los obtenidos en laboratorio durante el desarrollo de dicha aleación. Únicamente materiales de pulvimetalurgia de AMETEK fueron ensayados como muestras porosas para comparar con los materiales densos, siendo sus grados de oxidación mucho más altos. En un estudio posterior en Ikerlan-CEIT se midió la resistencia a la oxidación de muestras muy porosas (porosidad medida ~ 70%) en mezclas H2 con H2O entre 600ºC y 800ºC. El objetivo de este estudio fue determinar el efecto de determinadas variables (tiempo, temperatura, contenido de vapor, ciclos, porosidad, y corriente eléctrica), mientras otros aspectos se mantenían constantes (composición de la muestra y tamaño y forma de partícula). Para todas las temperaturas, la oxidación fue uniforme a lo largo del espesor de la muestra. La oxidación cíclica aparentemente no tuvo un efecto negativo adicional en la resistencia a la oxidación. La porosidad es la principal variable que afecta a la oxidación de muestras porosas. El efecto de la corriente eléctrica fue negativo, pero el incremento de la cinética de oxidación fue muy pequeño. La velocidad a la que crecen las capas de óxido depende de la actividad de O2, por lo que es mayor a contenidos de vapor crecientes en H2. Aunque una actividad de O2 baja podría proteger la aleación de la oxidación catastrófica observada a actividades de O2 más altas, esto no es compatible con una celda trabajando a utilizabilidades de combustible (FU) altas. Se fabricaron celdas SOFC con Crofer como soporte siguiendo métodos escalables y competitivos en costos, para estudiar su resistencia a la oxidación cuando trabajan a altas FU. Se hizo trabajar dos celdas en H2-50%H2O. Otra celda de baja porosidad (20% según cálculos), se le hizo trabajar en la misma atmósfera durante varias horas. Y a otra celda de alta porosidad (45% según cálculos) en condiciones de alta FU (56% según cálculos). Las pruebas de durabilidad de celdas de diferente porosidad confirmaron que ésta es la principal variable en su oxidación. El voltaje en circuito abierto (Open circuit voltage, OCP) es un buen indicador de la calidad de la ce lda y su posterior estanqueización. Fue posible calcular una predicción de vida del soporte a través de la porosidad, las cuales se han de considerar como máximos.La vida real de las celdas se ve acortada debido a que la oxidación se acelera cerca de la parte electroquímicamente activa de la celda.