Materiales Avanzados para Aplicaciones Especiales

El desarrollo tecnológico de base científica de nuevos materiales ha proporcionado el surgimiento de materiales muy específicos para aplicaciones especiales. Una de esas aplicaciones incluye la utilización directa de etanol como combustible en pilas de combustible de óxido sólido, que están entre los más eficientes generadores de energía eléctrica conocidos hasta el momento. El uso de un combustible líquido y, por eso, fácil para almacenar y distribuir, es de gran interés. Entretanto, el uso de etanol en pilas de combustible requiere normalmente la realización previa de un proceso de reforma para producir hidrógeno, el cual, una vez purificado, es utilizado como combustible. Esto se debe a que la utilización directa de etanol como combustible en una pila de combustible de óxido sólido resulta en la deposición de carbono sólido, como consecuencia de la pirolisis del etanol a la temperatura elevada de operación de la pila de combustible. El carbono sólido depositado en el ánodo convencional de una pila de combustible de óxido sólido rellena sus poros, dificultando el pasaje del gas combustible, y ejerce presión interna, la cual rápidamente ocasiona la deterioración completa del ánodo y, en consecuencia, de la pila de combustible misma. La Figura 1 ejemplifica eso para una pila de combustible de óxido sólido unitaria, con ánodo convencional de óxido de níquel en electrolito de zirconia estabilizada con itria - ZEI - operada a 950ºC durante 200 horas. Eso hace imposible la utilización directa de etanol en una pila de combustible de óxido sólido debido a su rápida deterioración.

Figura 1
Aspecto macroscópico de una pila de combustible de óxido sólido unitaria con ánodo convencional de óxido de níquel en electrolito de zirconia estabilizada con itria operada durante 200 h con la utilización directa de etanol como combustible a 950 ºC, a la izquierda, donde se observa intensa precipitación de carbono sólido, también visible en la micrografía electrónica de barrido presentada a la derecha e identificada abajo por un intenso pico de carbono en el análisis químico por espectroscopia de energía dispersiva ⁽¹⁾.(adaptado de ⁽¹⁾, con el permiso de Elsevier).

Por eso, fue buscada una solución que no requiera la laboriosa reforma previa del combustible para producción y purificación del hidrógeno combustible, sino que permita la utilización directa del etanol en pilas de combustibles de óxido sólido. Ensayos preliminares fueran realizados con suceso en una pila de combustible unitaria con un ánodo compuesto de Cu-CeO2-ZEI ⁽²⁾, la cual no presentó perdida significativa de desempeño después de 200 h de operación con utilización directa de etanol como combustible.

Otra innovación fue realizada en ese área en el 2009 ⁽³⁾ y posteriormente divulgada en la literatura científica ^{(1) , (4)}, utilizando como nuevo material para ánodo de pila de combustible de óxido sólido la fase CeAlO3. El desarrollo del nuevo material para el ánodo permitió la operación de la pila de combustible sin pérdida significativa de desempeño y sin deposición de carbono que tornara el dispositivo inactivo, como se muestra en la Figura 2. Para eso, el electrocatalizador cerámico fue sintetizado por el método del citrato amorfo. Las condiciones de síntesis fueron diseñadas para producir polvos cerámicos de tamaño nanométrico para los cuales fueron seleccionadas condiciones de calcinación de manera que se satisfagan requisitos tales como facilidad de sinterización, formación de fases específicas, control del tamaño de las partículas, del área superficial y de la morfología adecuadas a la producción de suspensiones cerámicas necesarias para la fabricación del ánodo funcional para pilas de combustible de óxido sólido. Fue verificado ⁽⁴⁾ que la calcinación en atmósfera oxidante induce la transformación de la fase CeAlO3, con estructura tetragonal de la perovskita, a las fases CeO2, con estructura de fluorita cúbica y Al2O3. Pero este polvo cerámico compuesto de CeO2 y Al2O3 así obtenido puede ser revertido a CeAlO3 si es calcinado en atmósfera de hidrógeno.

Figura 2
Aspecto macroscópico de una pila de combustible de óxido sólido unitaria con ánodo convencional de CeAlO₃/CeO₂-Al₂O₃ en electrolito de zirconia estabilizada con itria operada durante 200 h con la utilización directa de etanol como combustible a 950ºC, a la izquierda, donde se observa el ánodo íntegro y sin deposición de carbono sólido, también visible en la micrografía electrónica de barrido presentada a la derecha y caracterizado abajo por la presencia de un pico de carbono con baja intensidad en el análisis químico por espectroscopia de energía dispersiva ⁽¹⁾. (adaptado de ⁽¹⁾, con el permiso de Elsevier).

Como resultado, la síntesis controlada del nuevo material cerámico avanzado ^{(3) , (4)} y su incorporación en suspensión cerámica para fabricación de un ánodo funcional, fue utilizada con éxito en la aplicación especial que involucra la utilización directa de etanol como combustible en pilas de combustible de óxido sólido, con desempeño adecuado ⁽¹⁾. Esto se verifica porque la microestructura del ánodo no fue seriamente afectada por la utilización directa de etanol, presentando buena estabilidad y resistencia a la formación de coque, al bloqueo con carbono sólido y al agrietamiento.

La revista Materia es receptiva a la publicación de informes de desarrollo de nuevos materiales para abrir nuevas aplicaciones en dispositivos de ingeniería.

• ¹
  [1] VENÂNCIO, S. A., MIRANDA, P. E. V., "Solid oxide fuel cell anode for the direct utilization of ethanol as a fuel", Scripta Materialia, pp. 1065-1068, 2011.
• ²
  [2] VENÂNCIO, S. A., GURIERRES, T. F., SARRUF, B. J. M., MIRANDA, P. E. V., "Oxidação direta do etanol no anodo de PaCOS", Matéria, v. 13, n. 3, pp. 560-568, 2008.
• ³
  [3] MIRANDA, P.E.V., VENÂNCIO, S.A., MIRANDA, H.V., "Processo para a oxidação direta e/ou a reforma interna do etanol, pilha a combustível de óxido sólido utilizada para a oxidação direta e/ou a reforma interna de etanol, catalisador e anodo eletrocatalisador multifuncional para a oxidação direta e/ou a reforma interna direta do etanol", Patente INPI no. PI0901921-9, 17/06/2009.
• ⁴
  [4] VENÂNCIO, S. A., MIRANDA, P. E. V., "Synthesis of CeAlO3/CeO2-Al2O3 for use as solid oxide fuel cell functional anode material", Ceramics International, v. 37, pp. 3139-3152, 2011.

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  Jun 2015