Diseño, fabricación y caracterización de celdas de óxido sólido: búsqueda de nuevos electrodos eficientes para electrolizadores microtubulares /
La electrólisis del agua es quizás el método más limpio para producir hidrógeno. Sin embargo, los sistemas utilizados actualmente para realizar la electrólisis generan un alto costo de demanda eléctrica. Debido a que al aumentar la temperatura de operación del electrolizador la demanda de energía se...
| Autor principal: | |
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| Otros Autores: | |
| Formato: | Tesis Libro |
| Lenguaje: | Spanish |
| Publicado: |
Panamá :
Universidad Tecnológica de Panamá,
2018.
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| Materias: |
| Sumario: | La electrólisis del agua es quizás el método más limpio para producir hidrógeno. Sin embargo, los sistemas utilizados actualmente para realizar la electrólisis generan un alto costo de demanda eléctrica. Debido a que al aumentar la temperatura de operación del electrolizador la demanda de energía se reduce significativamente, en la última década se han realizado esfuerzos investigativos para desarrollar electrolizadores de alta temperatura. Dentro de estos desarrollos, sobresalen las celdas de óxido sólido (SOC), dispositivos electroquímicos de alta temperatura que pueden idealmente separar el hidrógeno del vapor de agua (en modo electrolizador) y también utilizar hidrógeno almacenado para generar electricidad y calor (modo celda de combustible), actuando ambos modos de operación en conjunto como un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica. Al ser utilizados en modo electrolizador, son potencialmente útiles en generación de hidrógeno a gran escala, con altas eficiencias e insignificantes emisiones netas de gases de efecto invernadero. Es de gran interés para el diseño óptimo de electrolizadores, el desarrollar nuevos materiales que mejores la eficiencia y desempeño práctico. La creciente búsqueda de nuevos materiales para el desarrollo de celdas de combustible de óxido sólido ha llevado a desarrollar materiales del tipo niquelato. Este trabajo, en particular, describe la operación reversible de una celda de óxido sólido microtubular, SOC, con alta eficiencia electroquímica. El prototipo desarrollado estuvo compuesto por un soporte microtubular de níquel y circona estabilizado con itria (Ni-YSZ), un electrolito denso YSZ, y un doble electrodo de oxígeno de niquelato de praseodimio (PNO) con barrera de ceria dopada con gadolinio (PNO-GDC/PNO). Las dimensiones finales de las celdas fueron de 3,2 mm de diámetro, 580 µm de espesor de soporte tubular, electrolito YSZ de 25 µm de espesor, y cátodos PNO-GDC de 15 µm de espesor y PNO de 40 µm de espesor. Las celdas se evaluaron tanto en el modo de celda de combustible como en el de electrólisis, usando una composición de combustible de 50% de H2 y 50% de H2O. Se obtuvo un buen rendimiento de la celda a temperaturas de hasta 800° C para la operación de electrólisis. En estudios de cronoamperometría en modo electrolizador a 800° C, densidades de corriente de ~ 950 mA/(Cm^2 ) a 1.3V con 50.0% de vapor. Su rendimiento, especialmente en el modo electrolizador, es muy prometedor para aplicaciones de electrólisis a alta temperatura. Las curvas de densidad de corriente frente a voltaje presentan un comportamiento lineal en el modo de electrólisis, usando 50% H2O / 50% H2 como combustible con una resistencia especifica de área de celda (ASR) de 0.44mA/(Cm^2 ). Este trabajo es científicamente ambicioso, ya que se han llevado a cabo por primera vez experimentos de durabilidad en modo de electrolisis en una SOC con cátodos compuestos de niquelatos. No se observé degradación en el modo de celda de combustible. Sin embargo, en el modo de electrolisis hay una pequeña degradación, pero se asoció con el engrosamiento del níquel mediante experimentos de microscopia. Estos resultados confirman que los electrodos de oxígeno asados en niquelatos son excelentes candidatos para SOC reversibles. (Tomado de la fuente) Water electrolysis is perhaps the cleanest method to produce hydrogen. However, the systems currently employed to perform electrolysis generate a high costo f electricity demand. Because the demand of electric energy decreases as the electrolysis operation temperature increases, over the last decade research has been conducted to develop high temperature electrolyzers. Among the developments, the standout is the solid oxide cells (SOC), a high temperature electrochemical device that can ideally split hydrogen from water steam (in electrolyser mode) and employ stored hydrogen to generate electricity and heat (in fuel cell mode), both modes acting in joint operation as an electrical energy storage device. When used in electrolyser mode, they are potentially useful in the generation of hydrogen on a large scale, with high efficiencies and negligible net emissions of greenhouse gases. It is of great interest for the optimal design of electrolysers, the development of new materials that improve the efficiency and practical performance. The search for new materials for the development of solid oxide fuel cells has led to the development of nickelate-type materials. This work describes the reversible operation of a microtubular solid oxide cell, SOC, with high electrochemical efficiency. These devices can ideally produce hydrogen from steam and electricity (in solid oxide electrolysis mode, SOEC), and use the stored hydrogen to generate electricity and heat (in fuel cell mode, SOFC), acting as an electrical energy storage device. The proposed prototype was composed of a microtubular fuel cell support of nickel and yttria stabilized zirconia (Ni-YSZ), an YSZ dense electrolyte, and a double praseodymium nickelate (PNO) and gadolinium doped ceria composite oxygen electrode (PNO-GDC / PNO). The final dimensions of the cells are 3.2 mm in diameter, 580 µm of wall thickness, 25 µm thick YSZ electrolyte, 15 µm thick PNO-GDC and 40 µm thick PNO. The cells were evaluated in both fuel cell and electrolysis mode, using a fuel composition of 50% H2 and 50% H2O. A good performance of the cell was obtained at temperaturas up to 800° C for the electrolysis operation. In chronoamperometry studies in SOEC mode at 800° C, current densities of about 950 mA / cm2 at 1.3 V with 50.0% steam. Its performance, especially in the SOEC mode, is very promising for high temperature electrolysis applications. Current curves of current density vs. Voltaje present a linear behavior in the electrolysis mode, using 50% H2O / 50% H2 as fuel with a cell área-specific resistance (ASR) of 0.44 mA / cm2. This work is scientifically ambitious, since experiments on durability in combined fuel cell and electrolysis mode of cells with nickelate oxygen electrodes have been carried out for the first time. No degradation was observed in fuel cell mode. However, in electrolysis mode there is a small degradation, but it was associated to nickel coarsening by microscopy experiments. These results confirm that nickelate based oxygen electrodes are excellent candidates for reversibles SOCs. (Tomado de la fuente) |
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| Descripción Física: | xxix, 236 hojas : ilustraciones, gráficas, fotografías ; 28 cm. |
| Bibliografía: | Incluye referencia bibliográfica, hojas 173-200 y anexos, hojas 201-236. |
| Acceso: | No se presta a domicilio. |