Pilas de Combustibles de Alta Temperatura

Actividades del Grupo de Pilas de Combustible de Alta Temperatura

El grupo de Pilas de Combustible de Alta Temperatura trabaja en aspectos relacionados con las pilas de combustible basadas en electrolitos de óxidos sólidos y carbonatos fundidos. Está compuesto por tres investigadores (doctores), y un número variable de personal en formación predoctoral, postgraduados, y visitantes. Las actividades que lleva a cabo comprenden desarrollo de electrodos (ánodo y cátodo), fabricación de celdas, evaluación de celdas y desarrollo y evaluación de cátodos de pilas de combustible de carbonatos fundidos. Una breve explicación sigue a continuación. Para más información (contactar). 

 

Pilas de Combustible de Óxido Sólido (SOFC)

Desarrollo de electrodos

El Grupo trabaja actualmente en el desarrollo de nuevos electrodos para Pilas de Combustible de Óxido Sólido de Temperatura Intermedia. A fin de controlar y optimizar la microestructura de los electrodos se están investigando diferentes métodos de síntesis, tales como reacción en estado sólido y métodos de química suave como la ruta nitrato-citrato, microemulsión y liofilización. La optimización de la microestructura afectará a las propiedades eléctricas del material, aumentando la zona en la que tiene lugar la reacción electrocatalítica y permitirá alcanzar una mayor eficiencia de la pila de combustible. Se estudia la estructura, morfología, propiedades catalíticas y de transporte de los nuevos materiales, compatibilidad química y térmica con los electrolitos habitualmente utilizados en SOFC, así como la caracterización electroquímica de la interfase electrodo-electrolito. Se han preparado en el laboratorio diferentes equipos y sistemas de medida, tales como celdas de conductividad, celdas electroquímicas y reactores catalíticos.

              

Respecto a los materiales anódicos el estudio se centra en la búsqueda de nuevos materiales capaces de operar en condiciones de oxidación directa de metano. Para ello se están estudiando óxidos de cerio dopados con Ni y/o Cu combinados con Mo, W, Co, Ag o Rh y dobles perovskitas de  Sr2MgMoO6-d dopadas con Nb o Cr. Estos materiales presentan buenas propiedades térmicas, electroquímicas y catalíticas, además de alta resistencia a la formación de depósitos de carbono y a las impurezas de azufre presentes en el combustible. 

            

En materiales catódicos nuestro trabajo se ha centrado en el desarrollo de nuevos conductores mixtos basados en La2NiO4+d con estructura K2NiF4. Se han estudiado exhaustivamente los sistemas La2Ni1-xCuxO4+d (0 < x < 1), La2Ni1-xCoxO4+d (0 < x < 1) and La2-ySryNiO4+d (0 < y < 1), los cuales han mostrado buena capacidad de almacenamiento de oxígeno hiperestequiométrico en posiciones intersticiales y resultan muy prometedores como cátodos de IT-SOFC.   

            

 

Preparación de celdas soportadas sobre el electrolito

Preparamos por tape-casting láminas, con un espesor aproximado de 100 mm, de los diferentes electrolitos utilizados en SOFC (YSZ, ScSZ, LSGM y SDC).
Los componentes para las suspensiones, condiciones de secado y calcinado son ajustadas para cada material. Se ha preparado un sistema de tape-casting  automatizado, con control de la velocidad de depósito. Se está estudiando la optimización de tintas preparadas con los distintos materiales para electrodos, identificando las condiciones experimentales de preparación, así como los disolventes, agentes dispersantes,  ligantes y plastificantes más apropiados. Las tintas optimizadas son depositadas por screen-printing sobre el electrolito. Las condiciones finales de calcinación se definen basándose en estudios termogravimétricos.

 

Evaluación de celdas en diferentes atmósferas

Se han preparado dos estaciones de ensayo para pilas de combustible de óxido sólido, con control de gases, humedad y temperatura. El comportamiento electroquímico de las celdas puede estudiarse utilizando diferentes combustibles, como hidrógeno, metano y mezclas simuladas de biogás  (CO2, CH4, N2 and H2).

       

Adicionalmente se estudia la influencia de la presencia de NH3, CO y H2S en el combustible alimentado. El comportamiento de la celda se evalua mediante curvas I-V, espectroscopía de impedancia y ensayos de durabilidad. La caracterización de la celda tras los ensayo es llevada a cabo por diferentes técnicas.

        

 

REFERENCIAS

Ni-Ce-ZrO2 system as anode material for direct internal reforming biogas solid oxide fuel cells, Escudero M.J., Valero C., Cauqui M.A., Goma D., Yeste M.P.Fuel 322 (2022) 124247. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.124247.

Impedance analysis of electrolyte-supported solid oxide fuel cell with nickel-tungsten -cerium anode fed with CH4-CO2 mixtures and siloxanes, Escudero M.J., Maffiotte C.A., Serrano J.L. Electrochimica Acta 427 (2022) 140852. DOI:10.1016/j.electacta.2022.140852.

Preparation of LSGM electrolyte via fast combustion method and analysis of electrical properties for ReSOC, Sepulveda E., Mangalaraja R.V., Escudero Berzal M., Jiménez J., Salvo C., Camurri C.P. Journal of Electroceramics 49 (2022) 85-93. DOI:10.1007/s10832-022-00294-7.

Long-term operation of a solid oxide fuel cell with MoNi-CeO2 as anode directly fed by biogas containing simultaneously sulphur and siloxane, Escudero M.J., Maffiotte C.A., Serrano J.L Journal of Power Sources 482 (2021) 229048. DOI: 10.1016/ j.jpowsour.2020.229048.

Double perovskite La1.8Sr0.2CoFeO5+δ as a cathode material for intermediate temperature solid oxide fuel cells, Costilla-Aguilar S.U., Escudero M.J., Cienfuegos-Pelaes R.F., Aguilar-Martínez J. A.Journal of Alloys and Compounds 862 (2021) 158025. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.158025.

Gadolinium doped ceria nanostructured oxide for intermediate temperature solid oxide fuel cells, Costilla-Aguilar S.U., Pech-Canul M.I., Escudero M.J., Cienfuegos-Pelaes R.F., Aguilar-Martínez J.A., Journal of Alloys and Compounds 878 (2021) 160444. DOI:10.1016/j.jallcom.2021.160444.

Performance of a direct methane solid oxide fuel cell using nickel-ceria-yttria stabilized zirconia as the anode, Escudero M.J., Yeste M.P., Cauqui M.A., Muñoz M.A., Materials (MDPI) 13(3) 599 (2020). DOI:10.3390/ma13030599.

Individual impact of several impurities on the performance of direct internal reforming biogas solid oxide fuel cell using W-Ni-CeO2 as anode, Escudero M.J., Serrano J.L. International Journal of Hydrogen Energy 44 (2019) 20616-20636. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.06.028.

Praseodymium and samarium co-doped ceria as an anode catalyst for DIR-SOFCs fueled by biogas. B. Bochentyn, P. Błaszczak, M. Gazda, A. Fuerte, S.-F. Wang, P. Jasiński. International Journal of Hydrogen Energy 45 (2019) 29131-29142. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.07.146

Role of Dopants on Ceria-based Anodes for IT-SOFCs Powered by Hydrocarbon Fuels. A. Fuerte, R.X. Valenzuela, M.J. Escudero. Universal Journal of Electrical and Electronic Engineering 5 (2017) 45-55. DOI: 10.13189/ujeee.2017.050301

Performance of Ceria-Electrolyte Solid Oxide Fuel Cell Using Simulated Biogas Mixtures as Fuel. M.J. Escudero, A. Fuerte. Advance in Energy and Power 5 (2017) 20-26. DOI. 10.13189/aep.2017.050202

Electrochemical analysis of a system based on W and Ni combined with CeO2 as potential sulphur-tolerant SOFC anode. M.J. Escudero, A. Fuerte. Fuel Cells 16 (2016) 340-348. DOI: 10.1002/fuce.201500076

Electrochemical impedance study of Ag/Cu-Ca0.2Ce0.8O2+d anode for SOFCs operating with simulated biogas. A. Fuerte, M.J. Escudero. ECS Transactions 68 (2015) 2805-2810. DOI: 10.1149/06801.2805ecst

Impedance spectroscopy studies of the behavior of MoNi-CeO2 anode in SOFC using H2S-containing hydrogen as fuel.  M.J. Escudero, I. Gómez de Parada, A. Fuerte. ECS Transactions 68 (2015) 2723-2733. DOI: 10.1149/06801.2723ecst

Performance evaluation of WNi-CeO2 anode in a Solid Oxide Fuel Cell fed by simulated biogas mixtures.M. J. Escudero, I. Gómez de Parada, A. Fuerte. Int. J. Hydrogen Energy, 40 (2015) 11303-11314. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.03.110

Study of a SOFC with a bimetallic Cu-Co-ceria anode directly fuelled with simulated biogas mixtures, A.  Fuerte, R.X. Valenzuela, M.J. Escudero, L. Daza,  Int. J. Hydrogen Energy, 39 (2014) 4060-4066. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.06.142

Analysis of the electrochemical performance of MoNi-CeO2 cermet as anode material for solid oxide fuel cell. Part I. H2, CH4 and H2/CH4 mixtures as fuels. M.J. Escudero, I. Gómez de Parada, A. Fuerte, J.L. Serrano, J. Power Sources, 253 (2014) 64-73. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.12.027.

Electrochemical performance of SOFC with an anode based on Cu-Ni/CeO2 for methane direct.  A.  Hornés, M.J. Escudero, L. Daza, A. Martínez-Arias, J. Power Sources, 249 (2014) 520-526. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.05.159

Study of Sr2Mg(Mo0.8Nb0.2)O6-d as anode material for SOFC using hydrocarbons as fuel. M. J. Escudero, I. Gómez de Parada, A. Fuerte, L. Daza, J. Power Sources 243 (2013) 654-660. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.05.198

La2NiO4+d potential cathode material on La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85 electrolyte for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell. M.J. Escudero, A. Fuerte, L. Daza, J. Power Sources 196 (2011) 7245-7250. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2010.11.068

Effect of cobalt incorporation in copper-ceria based anodes for hydrocarbon utilization in IT-SOFCs. A. Fuerte, R.X. Valenzuela, M.J. Escudero, L. Daza, J. Power Sources 196 (2011) 4324-4331. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2010.12.053

Structural, catalytic/redox and electrical characterization of systems combining Cu-Fe with CeO2 or Ce1-xMxO2-d (M = Gd or Tb) for direct methane oxidation. A. Hornés, G. Munuera ,  A. Fuerte,  M. J. Escudero, L. Daza, A. Martínez-Arias, J. Power Sources 196 (2011) 4218-4225. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2010.10.042

Electrochemical behavior of La2Ni0.6Cu0.4O4+d  oxide on SDC electrolyte as cathode for IT-SOFC.  D. Pérez-Coll, A. Aguadero, M.J. Escudero, L. Daza, ECS Transactions, 25 (2) (2009) 2589-2596. DOI: 10.1149/1.3205816

Study of CuFe-Ce0.9Gd0.1O2-d as IT-SOFC anode: catalytic activity, thermal expansion, morphology, electrical conductivity and chemical compatibility. A. Fuerte, A. Hornés , P. Bera, A. Martínez-Arias,  M. J. Escudero, L. Daza,  ECS Transactions, 25 (2) (2009) 2183-2192. DOI: 10.1149/1.3205768

Performance of a new Cu-ceria based anode for SOFCs running on different fuels.  A. Fuerte, R.X. Valenzuela, M.J. Escudero, L. Daza, ECS Transactions, 25 (2) (2009) 2173-2182. DOI: 10.1149/1.3205767

Ammonia as efficient fuel for SOFC. A. Fuerte, R.X. Valenzuela, M.J. Escudero, L. Daza,  J. Power Sources 192 (2009) 170-174. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2008.11.037

SrCo1-xSbxO3-d perovskite oxides as cathode materials in SOFC. A. Aguadero, D.  Pérez-Coll, C. de la Calle, J.A Alonso, M.J. Escudero, L. Daza, J. Power Sources 192 (2009) 132-137. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2008.12.138

Structure, thermal stability and conductivity of Ca(V0.5Mo0.5)O3 as potential SOFC anode. A. Aguadero, C. de la Calle, J.A Alonso, D.  Pérez-Coll, M.J. Escudero, L. Daza, J. Power Sources 192 (2009) 78-83. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2008.12.035

Structural, catalytic/redox and electrical characterization of systems combining Cu-Ni with CeO2 or Ce1-xMxO2-d (M = Gd or Tb) for direct methane oxidation. A. Hornés , D. Gamarra, G. Munuera, A. Fuerte, R. X. Valenzuela, M. J. Escudero, L. Daza,  J.C. Conesa, P. Bera, A. Martínez-Arias, J. Power Sources 192 (2009) 70-77. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2008.12.015

Development of anode material based on La-substituted SrTiO3 perovskites doped with manganese and/or gallium for SOFC. M.J. Escudero, J.T.S. Irvine, L. Daza, J. Power Sources 192 (2009) 43-50. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2008.11.132

Effect of DC current polarization on the electrochemical behaviour of La2NiO4+d and La3Ni2O7+d-based systems. D. Pérez-Coll, A.  Aguadero, M.J. Escudero, L. Daza, J. Power Sources 192 (2009) 2-13. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2008.10.073

Optimization of the interface polarization of the La2NiO4-based cathode working with the Ce1-xSmxO2-d electrolyte system. D. Pérez-Coll, A.  Aguadero, M.J. Escudero, P. Núñez, L. Daza, J. Power Sources 178 (2008) 151-162. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2007.12.030

Evaluation of the La2Ni1- xCuxO4+d system as SOFC cathode material with 8YSZ and LSGM as electrolytes. A. Aguadero, J.A. Alonso, M.T. Fernández-Díaz, M.J. Escudero, L. Daza, Solid State Ionics 179 (2008) 393-400. DOI: 10.1016/j.ssi.2008.01.099

Structural and electrical characterization of the novel SrCo0.9Sb0.1O3-d  perovskite: evaluation as SOFC cathode material. A. Aguadero, C. de la Calle,  J.A. Alonso, M.J. Escudero, M.T. Fernández-Díaz, L. Daza, Chem. Mater. 19 (2007) 6437-6444. DOI: 10.1021/cm071837x

A kinetic study of oxygen reduction reaction on La2NiO4 cathodes by means of impedance spectroscopy, M.J. Escudero, A. Aguadero, J.A. Alonso, L. Daza, J. Electroanal. Chem. 611 (2007) 107-116. DOI: 10.1016/j.jelechem.2007.08.006

Preparation and characterisation of SOFC anodic materials based on Ce-Cu, A. Fuerte, R.X. Valenzuela, L. Daza, J. Power Sources 169 (2007) 47-52. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2007.03.033

In situ high temperature neutron powder diffraction study of La2Ni0.6Cu0.4O4+d  in air: correlation with the electrical behaviour. A. Aguadero, J.A. Alonso, M.T. Fernández-Díaz, M.J. Escudero, L. Daza, J. Power Sources 169 (2007) 17-24. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2007.01.075

Hyperstoichiometric La1.9Sr0.1NiO4+d mixed conductor as novel cathode for intermediate temperature solid oxide fuel cells. A. Aguadero,  M.J. Escudero, M. Pérez,  J.A. Alonso,  L. Daza, J. Fuel Cell Sci. Technol. 4  (2007) 294-298. DOI: 10.1115/1.2743075

Effect of Sr content on the crystal structure and electrical properties of the system La2-xSrxNiO4+d (0<x<1). A. Aguadero,  M.J. Escudero, M. Pérez,  J.A. Alonso, V. Pomjakushim, L. Daza, Dalton Trans. (2006) 4377-4383. DOI: 10.1039/B606316K 

In situ high temperature neutron powder diffraction study of oxygen-rich La2NiO4+d in air: correla [Ver]tion with the electrical behaviour. A. Aguadero,  J.A. Alonso, M.J. Martínez-Lope, M.T. Fernández-Díaz, M.J. Escudero, L. Daza, J. Mater. Chem. 16 (2006) 3402-3408. DOI: 10.1039/B605886H

Pilas de Combustible de Carbonatos Fundidos (MCFC)

El Grupo ha trabajado en el desarrollo de materiales alternativos para cátodos de MCFC, basados en níquel impregnado con cerio, óxidos mixtos de litio-níquel impregnados con cerio o lantano y níquel modificado con cobalto. Se ha investigado la morfología y comportamiento electroquímico de la mezcla eutéctica Li-K. Estos materiales han sido evaluados en celda y comparados con el cátodo comercial NiO. Los resultados han revelado que la adición de cerio o cobalto evita la disolución del níquel, lo que es considerado una de las mayores limitaciones de las MCFC. 

                     

REFERENCIAS

Porous nickel MCFC cathode coated by potentiostatically deposited cobalt oxide: III. Electrochemical behavior in molten carbonate. Review. M.J. Escudero, A. Ringuedé, M. Cassir, T. Gonzalez, L. Daza, J. Power Sources 171 (2007) 261-271. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2007.06.013

Porous nickel MCFC cathode coated by potentiostatically deposited cobalt oxide: II. Structural and morphological behavior in molten carbonate. M.J. Escudero, T.  Rodrigo, L. Mendoza, M. Cassir, L.Daza, J. Power Sources 160 (2006) 775-781. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2006.04.056

Molten carbonate fuel cell cathodes: Improvement of the electrocatalytic activity. M.J. Escudero, T. Rodrigo, L. Daza, Catal. Today 107-108 (2005) 377-387. DOI: 10.1016/j.cattod.2005.07.097

Porous nickel MCFC cathode coated by potentiostatically deposited cobalt oxide: I. A structural and morphological study. M.J. Escudero, T.  Rodrigo, L. Mendoza, M. Cassir, L.Daza, J. Power Sources 140 (2005) 81-87. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2004.08.009

Electrochemical behaviour of lithium-nickel oxides in molten carbonate. M.J. Escudero, T. Rodrigo, L. Daza,  J. Power Sources 118 (2003) 23-34. DOI: 10.1016/S0378-7753(03)00057-0

Study of a Li-Ni oxides mixture as a novel cathode for MCFC by electrochemical impedance spectroscopy. M.J. Escudero, X.R. Novoa, T. Rodrigo, L. Daza, J. Appl. Electrochem. 32 (2002) 929-936. DOI. 10.1023/A:1020572308690

Influence of lanthanum oxide as quality promoter on cathodes for MCFC. M.J. Escudero, X.R. Novoa, T. Rodrigo, L. Daza, J. Power Sources 106 (2002) 196-205. DOI: 10.1016/S0378-7753(01)01043-6

Endurance test on single cell of a novel cathode material for MCFC. J. Soler, T. Gónzalez, M.J. Escudero, T. Rodrigo, L. Daza, J. Power Sources 106 (2002) 189-195. DOI: 10.1016/S0378-7753(01)01041-2

Otros

Colaboraciones con otros grupos

  • José Antonio Alonso (Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid, ICMM-CSIC, España)
  • Arturo Martínez-Arias (Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, ICP-CSIC, Madrid-España)
  • Jesús Canales (Instituto de Energías Renovables, Albacete-España)
  • Michel Cassir (Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris, ENSCP-CNRS, Francia)

 

Otras actividades

  • Participación en tareas de Normalización en Pilas de Combustible: International Electrotechnical Commission (IEC) IEC/TC105  (AENOR CTN206/SC105) grupo de normalización de pilas de combustible.
  • Participación en Evaluaciones tecnológicas de proyectos para KIC InnoEnergy
  • Miembros de la Asociación Española de Pilas de Combustible (APPICE)