Aplicación del mecanizado láser para la mejora del rendimiento de pilas de combustible de óxido sólido

La pila de combustible de oxido solido SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) es un dispositivo electroquimico capaz de transformar directamente la energia quimica de un combustible en electricidad. Su rendimiento esta limitado por varios factores, de entre los que destacan las perdidas ohmicas y las perdidas de polarizacion. Las perdidas ohmicas estan causadas por la conduccion ionica a traves del electrolito, por lo que dependen de la conductividad ionica del material y son directamente proporcionales al espesor de este elemento. Por otro lado, las perdidas de polarizacion se deben a las reacciones electroquimicas que tienen lugar en los electrodos. Estan directamente relacionadas con la densidad de la interfase electrodo-electrolito-poro, denominada TPB (Triple Phase Boundary), por lo que estas perdidas dependen de la microestructura de los electrodos y del area de contacto entre electrolito y electrodo. En esta tesis se ha utilizado la tecnica de mecanizado laser para modificar membranas de circona estabilizada con itria (YSZ) que se han empleado como electrolito de pilas SOFC, permitiendo fabricar pilas con un mayor rendimiento. Por una parte, con el objetivo de reducir las perdidas ohmicas, se han adelgazado zonas seleccionadas de estas membranas hasta un espesor de ~20 μm. Las zonas circundantes se mantienen con el espesor original de 150 μm para que actuen como soporte mecanico de la celda. Por otra parte, para reducir las perdidas de polarizacion, se ha mecanizado la superficie originalmente lisa de los electrolitos. De este modo se ha generado un perfil corrugado que incrementa el area de contacto efectiva con el electrodo. La fabricacion de celdas se ha realizado depositando los electrodos mediante inmersion (dip coating). Como catodo se ha utilizado un composite de YSZ y manganita de lantano y estroncio (LSM), habitual en las pilas SOFC de alta temperatura. Como anodo, se ha utilizado un composite de YSZ y oxido de niquel, convirtiendose este ultimo en niquel metalico bajo condiciones de operacion (atmosfera reductora y elevada temperatura). Para conseguir una buena union de los electrodos con los electrolitos mecanizados, ha sido necesario recurrir a tecnicas de sinterizacion asistida por presion. Para comprobar la estanqueidad de los electrolitos adelgazados, se han medido las curvas de polarizacion de celdas completas fabricadas a partir de los mismos. Los valores de tension de circuito abierto (OCV) experimentales han sido cercanos a los teoricos, demostrando que no existe intercambio de gases entre las camaras anodica y catodica. Por otro lado, para determinar la mejora en el rendimiento que se obtiene gracias al mecanizado superficial de los electrolitos, se han fabricado celdas simetricas (con el material del catodo a ambos lados del electrolito). Estas celdas se han caracterizado mediante espectroscopia de impedancias electroquimica (EIS), obteniendose una reduccion de la polarizacion de hasta el 30 % en el rango de temperaturas comprendido entre 700 °C y 900 °C.