Desarrollo y caracterización de electrodos de STFNC para celdas de óxido sólido: análisis del desempeño en combustibles carbonosos
2024
| Título | Desarrollo y caracterización de electrodos de STFNC para celdas de óxido sólido: análisis del desempeño en combustibles carbonosos |
| Nombre | BATTAGLIA GASPARINI, Juan Ignacio |
| Directores | Dr. Mariano Santaya |
| Jurado | Dr. Luis García Rodenas |
| Lugar de realización | Departamento de Caracterización de Materiales (DCM), Centro Atómico Bariloche – CNEA. |
| Código | IT/IM-TS--xx/24 |
Título completo
Desarrollo y caracterización de electrodos de STFNC para celdas de óxido sólido: análisis del desempeño en combustibles carbonosos
Resumen
En el actual contexto de la transición energética existe una necesidad creciente en el desarrollo
de dispositivos de generación de energía eficiente, amigables con el medio ambiente y con
capacidad de operar en forma continua. En particular, la tecnología basada en celdas de
combustible de óxido sólido (SOFC) resulta muy prometedora para abordar estos desafíos. Las
SOFC son dispositivos electroquímicos que operan a altas temperaturas (600-800 °C) y
transforman la energía de una reacción redox en energía eléctrica empleando combustibles
como el hidrógeno, así como también hidrocarburos. Los materiales basados en perovskitas
resultan prometedores, pues son capaces de desempeñarse tanto como ánodos y cátodos. La
operación de las celdas involucra ciclados en temperatura y provoca frecuentemente un
marcado detrimento del funcionamiento, en especial cuando se emplean atmósferas
carbonosas.
En este trabajo de tesis se estudió el sistema SrTi0.3Fe0.7O3-Δ (STF) dopado con Ni y Co (STFNC)
como electrodo de celdas simétricas. La elección de esta familia de electrodos se basó en su
relativo bajo costo y buen desempeño como ánodo y cátodo. Este material presenta la capacidad
de decorar su superficie formando nanopartículas metálicas que catalizan las reacciones de
electrodo, a partir de un proceso conocido como “exsolución”. Se sintetizaron muestras de
STFNC con diferentes estequiometrías y se caracterizaron mediante técnicas avanzadas de
ciencia de materiales para determinar sus propiedades más relevantes para la aplicación, como
ser su estructura cristalina, morfología, microestructura, etc. Se conformó una celda simétrica
con electrolito comercial de zirconia estabilizada con escandio (SSZ) y con electrodos de STFNC
para estudiar su desempeño en diferentes condiciones de operación. Se alcanzó una potencia
eléctrica máxima de 0,17 W/cm2 en atmósfera de hidrógeno a 750 °C. No obstante, la potencia
obtenida en atmósfera de metano fue de 0,0046 W/cm2 , indicando una baja capacidad para
reformar este combustible. Por otro lado, el material presentó una excelente tolerancia a
combustibles con carbono y no se observaron indicios de degradación durante los ensayos. Los
resultados de esta tesis indican que este material es un gran candidato para SOFCs simétricas
operando con gases reformados.
de dispositivos de generación de energía eficiente, amigables con el medio ambiente y con
capacidad de operar en forma continua. En particular, la tecnología basada en celdas de
combustible de óxido sólido (SOFC) resulta muy prometedora para abordar estos desafíos. Las
SOFC son dispositivos electroquímicos que operan a altas temperaturas (600-800 °C) y
transforman la energía de una reacción redox en energía eléctrica empleando combustibles
como el hidrógeno, así como también hidrocarburos. Los materiales basados en perovskitas
resultan prometedores, pues son capaces de desempeñarse tanto como ánodos y cátodos. La
operación de las celdas involucra ciclados en temperatura y provoca frecuentemente un
marcado detrimento del funcionamiento, en especial cuando se emplean atmósferas
carbonosas.
En este trabajo de tesis se estudió el sistema SrTi0.3Fe0.7O3-Δ (STF) dopado con Ni y Co (STFNC)
como electrodo de celdas simétricas. La elección de esta familia de electrodos se basó en su
relativo bajo costo y buen desempeño como ánodo y cátodo. Este material presenta la capacidad
de decorar su superficie formando nanopartículas metálicas que catalizan las reacciones de
electrodo, a partir de un proceso conocido como “exsolución”. Se sintetizaron muestras de
STFNC con diferentes estequiometrías y se caracterizaron mediante técnicas avanzadas de
ciencia de materiales para determinar sus propiedades más relevantes para la aplicación, como
ser su estructura cristalina, morfología, microestructura, etc. Se conformó una celda simétrica
con electrolito comercial de zirconia estabilizada con escandio (SSZ) y con electrodos de STFNC
para estudiar su desempeño en diferentes condiciones de operación. Se alcanzó una potencia
eléctrica máxima de 0,17 W/cm2 en atmósfera de hidrógeno a 750 °C. No obstante, la potencia
obtenida en atmósfera de metano fue de 0,0046 W/cm2 , indicando una baja capacidad para
reformar este combustible. Por otro lado, el material presentó una excelente tolerancia a
combustibles con carbono y no se observaron indicios de degradación durante los ensayos. Los
resultados de esta tesis indican que este material es un gran candidato para SOFCs simétricas
operando con gases reformados.
Complete Title
Abstract
In the current context of energy transition, there is a growing need for the development of
efficient, environmentally friendly and continuous power generation devices. In particular, solid
oxide fuel cell (SOFC) technology holds great promise for meeting these challenges. SOFCs are
electrochemical devices that operate at high temperatures (600-800 °C) and convert the energy
of a redox reaction into electrical energy using fuels such as hydrogen and hydrocarbons.
Perovskite-based materials are promising because they can act as both anodes and cathodes.
Cell operation involves temperature cycling and often results in a significant degradation of
performance, especially when carbonaceous atmospheres are used.
In this thesis, the SrTi0.3Fe0.7O3-Δ (STF) system doped with Ni and Co (STFNC) has been
investigated as an electrode for symmetrical cells. The choice of this electrode family was based
on its relatively low cost and good performance as an anode and cathode. This material has the
ability to decorate its surface, forming metallic nanoparticles that catalyze the electrode
reactions, through a process known as "exsolution". Samples of STFNC with different
stoichiometry have been synthesized and characterized using advanced materials science
techniques in order to determine their most relevant properties for the application, such as their
crystalline structure, morphology, microstructure, etc. A symmetrical cell with commercial
scandium-stabilized zirconia (SSZ) electrolyte and STFNC electrodes was formed to study its
performance under different operating conditions. A maximum electrical power of 0.17 W/cm2
was obtained in a hydrogen atmosphere at 750 °C. However, the power obtained in methane
atmosphere was 0.0046 W/cm2 , indicating a low ability to reform this fuel. On the other hand,
the material showed excellent tolerance to carbon fuels and no signs of degradation were
observed during the tests. The results of this work indicate that this material is a great candidate
for symmetrical SOFCs operating with reformed gases.
efficient, environmentally friendly and continuous power generation devices. In particular, solid
oxide fuel cell (SOFC) technology holds great promise for meeting these challenges. SOFCs are
electrochemical devices that operate at high temperatures (600-800 °C) and convert the energy
of a redox reaction into electrical energy using fuels such as hydrogen and hydrocarbons.
Perovskite-based materials are promising because they can act as both anodes and cathodes.
Cell operation involves temperature cycling and often results in a significant degradation of
performance, especially when carbonaceous atmospheres are used.
In this thesis, the SrTi0.3Fe0.7O3-Δ (STF) system doped with Ni and Co (STFNC) has been
investigated as an electrode for symmetrical cells. The choice of this electrode family was based
on its relatively low cost and good performance as an anode and cathode. This material has the
ability to decorate its surface, forming metallic nanoparticles that catalyze the electrode
reactions, through a process known as "exsolution". Samples of STFNC with different
stoichiometry have been synthesized and characterized using advanced materials science
techniques in order to determine their most relevant properties for the application, such as their
crystalline structure, morphology, microstructure, etc. A symmetrical cell with commercial
scandium-stabilized zirconia (SSZ) electrolyte and STFNC electrodes was formed to study its
performance under different operating conditions. A maximum electrical power of 0.17 W/cm2
was obtained in a hydrogen atmosphere at 750 °C. However, the power obtained in methane
atmosphere was 0.0046 W/cm2 , indicating a low ability to reform this fuel. On the other hand,
the material showed excellent tolerance to carbon fuels and no signs of degradation were
observed during the tests. The results of this work indicate that this material is a great candidate
for symmetrical SOFCs operating with reformed gases.
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