Evaluación de las estrategias de mejora de estabilidad química y estudio de las propiedades electroquímicas de perovskitas de conductividad protónica para dispositivos electroquímicos de alta temperatura

Autor: Triviño Peláez, Ángel
Přispěvatelé: Mather, Glenn Christopher, Mosa Ruiz, Jadra, Agencia Estatal de Investigación (España), Ministerio de Economía y Competitividad (España), Triviño Peláez, Ángel
Jazyk: Spanish; Castilian
Rok vydání: 2022
Předmět:
Popis: [EN] The main objective of the research performed during this thesis involves the synthesis processing, and characterisation of ceramic materials for application as electrolytes in protonic ceramic fuel cells (PCFC) and protonic ceramic electrolyser cells (PCEC). The studied materials are the most relevant proton-conducting ceramics electrolytes for commercial, high-temperature applications, namely barium and strontium cerates and zirconates with the ABO3 perovskite structure. The perovskites are doped in the B-position with trivalent cations, typically yttrium, to create oxygen vacancies, forming mobile protonic defects in humid atmospheres in the intermediate temperature range (500-800 °C). In general, these materials are characterised by poor chemical stability when submitted to CO2-containing atmospheres and high water-vapour partial pressures, particularly the barium-cerate family. Their use in PCFCs fed with hydrocarbons may be limited during operation since CO and CO2 are formed as by-products and are prone to react with the electrolyte. Hence, one aim of this doctoral thesis is the improvement in the chemical stability of proton-conducting perovskites in CO2-containing and high pH2O atmospheres to develop more versatile proton conductors. Improvements in the stability of PCFCs would lead to greater fuel flexibility, including the use of methane or bioethanol, in addition to enhanced adaptability to other technologies such as membrane reactors. Moreover, stable proton-conducting ceramics may be used in reversible electrochemical cells which can perform in either fuel cell or electrolyser mode in the same device, creating electrical energy from hydrogen conversion and producing hydrogen from electrical energy, as required. In this thesis, the impact of different processing strategies on the chemical stability, including the incorporation of halogens in the oxide-ion sublattice and the introduction of Ba deficiency, is studied, as well as the effects of these approaches on structural, microstructural and electrochemical properties.
[ES] La finalidad del trabajo de investigación presentado en esta tesis doctoral se basa en la síntesis y el procesamiento, y en la caracterización estructural, microestructural y electroquímica de materiales cerámicos para su utilización como electrolitos en pilas de combustible cerámicas y electrolizadores cerámicos de conductividad protónica (Protonic Ceramic Fuel Cell, (PCFC), y Protonic Ceramic Electrolyzer Cell, (PCEC)). Los materiales estudiados son los electrolitos conductores protónicos por excelencia en el campo de los óxidos sólidos pertenecientes a las familias de las perovskitas de ceratos y circonatos de bario y estroncio dopados con metales trivalentes en la posición B, utilizando itrio como catión dopante. La introducción de dopantes trivalentes que sustituyen a los cationes huésped tetravalentes de la posición B en la perovskita es indispensable para la generación de vacantes de oxígeno. Éstas, en ambientes humidificados dan lugar a la incorporación de defectos protónicos en la red, cuya movilidad proporciona conductividad protónica al material, relevante en el intervalo de temperaturas de 500-800 ºC. Las perovskitas que contienen Ba en la posición A, y más concretamente las perovskitas basadas en los ceratos, se caracterizan por tener una baja estabilidad química cuando se exponen a atmósferas que contienen CO2 y H2O, siendo susceptibles de carbonatarse y de formar hidróxidos produciendo una degradación mecánica de la membrana electrolítica. Esta característica de los ceratos de bario restringe el uso directo de hidrocarburos como combustibles en los dispositivos PCFC, ya que durante el funcionamiento de la pila se produce CO y CO2 como productos del proceso de reformado del hidrocarburo en el ánodo que envenenan el electrolito, reduciendo la operatividad del dispositivo. Por este motivo, la principal tarea de investigación desarrollada en esta tesis doctoral es la mejora de la estabilidad química en atmósferas que contienen CO2 y H2O de dichos materiales con el fin de desarrollar electrolitos conductores protónicos de gran versatilidad. De esta manera, las pilas de combustible PCFC adquieren una mayor flexibilidad permitiendo la utilización de una gran variedad de combustibles, como el metano o el bioetanol, además de una mayor viabilidad para acoplar las PCFC a otras tecnologías de producción de energía implantadas en el tejido industrial actual. Además, el uso de electrolitos cerámicos conductores protónicos con una estabilidad química adecuada permite que los dispositivos electroquímicos sean multifuncionales, siendo capaces no sólo de producir energía a partir del combustible H2 (PCFC), sino también de operar en el modo inverso de electrólisis para generar hidrógeno mediante la escisión de la molécula de H2O (PCEC) aplicando energía eléctrica. Para ello, se estudia el impacto que tienen las diferentes alternativas presentadas en bibliografía involucradas en la mejora de la estabilidad química en las propiedades estructurales, microestructurales y electroquímicas de los electrolitos.
Databáze: OpenAIRE
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