Materiales utilizados para pilas de combustible de alta temperatura
En una publicación de blog anterior, describimos las placas bipolares y los materiales asociados para las pilas de combustible de baja temperatura. Los materiales descritos anteriormente se seleccionan para pilas de pilas de combustible a temperatura ambiente o ligeramente por encima, lo que significa que los materiales son químicamente compatibles con la pila entre 0 y 140 °C. Las pilas de combustible que funcionan a temperaturas más altas requieren materiales diferentes. Las pilas de pilas de combustible que funcionan a altas temperaturas son SOFC, MCFC y PAFC. Describiremos los materiales que se utilizan normalmente para estos tipos de pilas de combustible en esta publicación de blog.
Pilas de combustible de óxido sólido (SOFC)
Los materiales utilizados en las SOFC deben ser físicamente estables y resistir la corrosión del electrolito a altas temperaturas. Hay dos categorías de materiales utilizados para las placas SOFC: materiales de perovskita de alta temperatura (900 a 1000 °C) y aleaciones metálicas para funcionamiento a baja temperatura (600 a 900 °C). Los materiales de perovskita de alta temperatura utilizados en las SOFC son cromitas de lantano e itrio dopadas (los dopantes suelen incluir Mg, Sr, Ca, Ca/Co). Estos materiales tienen buena conductividad electrónica, que aumenta con la temperatura. El tipo de dopante modifica las propiedades del material y determina la compatibilidad con las capas de la pila de combustible.
Las interconexiones cerámicas son química y físicamente estables en las SOFC durante períodos prolongados, pero debido a que las interconexiones están hechas de cerámica, no tienen buena flexibilidad para sellar la celda. Para solucionar este problema, a veces se utilizan pastas conductoras o un fieltro de contacto. Estos ayudan con la flexibilidad y el sellado, pero, por supuesto, la vida útil de estos componentes no es tan buena como la de la interconexión cerámica.
Cuando en la última década se desarrollaron SOFC soportadas por ánodos de electrolito delgado (Figura 1), esto permitió que las SOFC funcionaran a temperaturas más bajas (650 a 800 °C), lo que permitió el uso de algunos componentes metálicos en la celda. Incluso a estas temperaturas «bajadas», es difícil encontrar metales fiables que puedan utilizarse como interconexiones. Los metales que se utilizarán como interconexiones SOFC a estas temperaturas deben tener las siguientes características:
• Capaz de mantener una temperatura uniforme en toda la placa sin deformación
• Tener suficiente resistencia a la fluencia
• Tolera un ambiente corrosivo
• Mantener una alta conductividad
Figura 1 (de izquierda a derecha): celda botón con soporte de electrolito y celda plana con soporte de electrolito
Se han desarrollado muchas interconexiones con alto contenido de cromo, como Cr5Fe1Y2O3, que funciona a unos 900 °C. El cromo es problemático porque puede envenenar el electrodo. Si se redujeran las temperaturas de funcionamiento se podrían utilizar aceros ferríticos, lo que reduciría los costes de material y procesamiento. Los siguientes materiales se utilizan habitualmente como materiales de placa terminal en pilas de combustible:
• Cromita de lantano
• Cr5Fe1Y2O3
• Avesta 600 (Fe-28/Cr-4/Ni-2/Mo)
• Inconel 601 (NiCr + Al)
• SS 310
• Acero inoxidable 316L
• SS 310S
Los metales utilizados en las pilas de combustible de alta temperatura a menudo deben recubrirse para que no sean corrosivos, lo que significa que el recubrimiento debe tener propiedades similares a las de la interconexión ideal. El recubrimiento más utilizado es un óxido estable (cromia) que provoca evaporación y envenenamiento de los electrodos.
Dos recubrimientos que minimizan la evaporación y aseguran una buena resistencia al contacto son la cobaltita o manganita de lantano dopada con estroncio (Figura 2). Estos recubrimientos funcionan bien en el rango de temperatura intermedia, pero en el futuro aún es necesario desarrollar mejores recubrimientos y materiales de interconexión.
Figura 2 (de izquierda a derecha): tinta de lantano y estroncio cobaltita y tinta de lantano y estroncio manganita
Pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC)
Las placas bipolares para MCFC incluyen un separador, colectores de corriente y un sello húmedo. Los materiales utilizados para las placas bipolares MCFC son aleaciones como el acero inoxidable Incoloy 825, 310S o 316L que están recubiertas por una cara con una capa de Ni. Las placas suelen tener un grosor de 15 mm y el lado recubierto de níquel proporciona un revestimiento de superficie conductor con baja resistencia de contacto. Una fina capa de aluminio puede formar un LiAlO2 protector después de la reacción del Al con Li2CO3. Este recubrimiento no es útil para zonas que necesitan ser conductoras ya que es una capa protectora aislante. Los materiales que se utilizan comúnmente para promover la conductividad y tener resistencia a la corrosión son el acero inoxidable 316 y los aceros inoxidables chapados en níquel. Los aceros inoxidables tipo 310 y 446 tienen mejor resistencia a la corrosión que el tipo 316 en las pruebas de corrosión.
El separador y colector de corriente es un 310S/316L recubierto de Ni y el sello húmedo se forma mediante aluminización del metal. Una baja presión parcial de oxígeno en el lado del ánodo de la placa bipolar evita la oxidación. Es necesario desarrollar placas colectoras de corriente bipolares de aleación única que funcionen tanto en el lado del cátodo como del ánodo de la pila de combustible. Los principales materiales de construcción son los aceros inoxidables (aceros inoxidables austeníticos). Las aleaciones a base de níquel también resisten bien la corrosión. Ciertos recubrimientos a base de níquel pueden proteger el lado del ánodo. Los recubrimientos de níquel químico son gruesos y uniformes, pero costosos y contienen grandes cantidades de impurezas. Los recubrimientos de níquel electrolítico no son lo suficientemente densos ni de espesor uniforme.
Pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC)
Los PAFC utilizan muchos de los mismos materiales que en las celdas de baja temperatura. Las placas bipolares de grafito puro son resistentes a la corrosión durante una vida útil prevista de 40.000 horas en los PAFC, pero, al igual que en otras pilas de combustible de baja temperatura, son costosas y caras de fabricar. Otro diseño comúnmente utilizado es una placa bipolar multicomponente, que tiene una placa delgada e impermeable que separa los gases reactivos en celdas adyacentes y una placa porosa separada con canales acanalados que se utiliza para el flujo de gas. La placa impermeable se subdivide en dos partes, y cada una de ellas se une a una de las placas porosas. Los metales que pueden soportar temperaturas más altas también se utilizan como materiales en las pilas de PAFC.
Conclusión
Las pilas de combustible de alta temperatura suelen utilizar materiales diferentes a los de las pilas de combustible que funcionan a temperatura ambiente (o por debajo de 140 °C). Algunos de los materiales utilizados para las SOFC son perovskita y cromitas de lantano e itrio dopadas. Los materiales para los MCFC incluyen acero inoxidable Incoloy 825, 310S o 316L y, a menudo, están recubiertos con níquel. Los PAFC utilizan algunos de los materiales de las pilas de combustible de baja temperatura y otros materiales utilizados por las SOFC y MCFC.
