Sondas espectroscópicas locales para monitorizar in-situ la actividad de oxígeno en electrolitos en pilas de combustible y electrolizadores de óxido sólido

Abstract

Las celdas electroquímicas de óxido sólido reversibles son dispositivos capaces de generar energía eléctrica a partir de la oxidación de un combustible (modo de funcionamiento pila de combustible, SOFC) o bien de generar combustible (H2) con el suministro de energía eléctrica (modo electrolizador, SOEC). Estos dispositivos constan de un electrólito, conductor de iones óxido; electrodos para catalizar la adsorción, disociación, oxidación y reducción de los reactivos (ánodos o cátodos), con conducción mixta y porosidad para el transporte de gases; y los colectores de corriente. Para un funcionamiento óptimo es necesario que actividades catalíticas, conductancias y transporte de gases, estén ajustados de modo que las pérdidas óhmicas y de polarización sean mínimas, así como la degradación en uso. En particular, son críticos los procesos en las intercaras entre electrólito y electrodos, donde tienen lugar los intercambios de iones. En SOECs basados en circona estabilizada con voltajes de polarización altos se ha encontrado que la actividad de oxígeno en la intercara con el electrodo de oxígeno es tan alta que este se delamina. Laguna-Bercero et al. investigaron esta degradación haciendo un estudio espectroscópico con resolución espacial de celdas después de los ensayos electroquímicos. En esta comunicación presentaremos resultados de la búsqueda de sondas espectroscópicas que permitan monitorizar la actividad de oxígeno en condiciones de operación, es decir a las temperaturas de trabajo de los dispositivos. Para acceder ópticamente al interior del electrolito se persigue hacer el estudio usando monocristales como electrolito. Se han investigado diferentes dopantes y codopantes en monocristales de circona estabilizada (Ce, Pr, Mn, V, Ce-Pr, Mn-Nd), en los que existe variación del estado de oxidación de uno o ambos dopantes en distintos rangos de actividad de oxígeno. También se han preparado cerámicas y cristales de circona dopada con Tb y sintetizado apatitas dopadas. Se observa que la señal de raman electrónico de Ce3+ desaparece a temperaturas mayores de 300 ºC, mientras que luminiscencias de Er3+, Pr3+ y Tb3+ persisten a temperaturas mucho más altas. El codopado presenta algunas desventajas frente a dopantes simples con cambios espectroscópicos frente a la actividad de oxígeno y señal óptica cuantificable a alta temperatura.