Cálculo de la resistencia de polarización para electrodos infiltrados de SOFCs

Abstract

El rendimiento de una celda de combustible de óxido solido (SOFC) está determinado por la suma de las resistencias asociadas a cada uno de los componentes que la constituyen. En los electrodos, la reacción electroquímica ocurre en los llamados puntos de triple frontera (TPB) en donde convergen tres fases, la fase conductora iónica, la fase conductora electrónica y la fase gaseosa. Para que esta reacción ocurra se necesita que los TPBs sean activos, es decir que las distintas especies intervinientes en la reacción puedan acceder a ese punto, o dicho de otro modo, que las fases tengan percolación [1]. Es así que la tasa de reacción electroquímica neta en los electrodos depende de la microestructura, la conectividad de las distintas fases y la abundancia de los sitios de reacción. Con el objetivo de mejorar el rendimiento de los electrodos de SOFCs, en los últimos tiempos se han enfocado muchos estudios en el desarrollo de electrodos compuestos del tipo infiltrados. Un electrodo infiltrado consta de un esqueleto poroso, generalmente del material del electrolito, en el que se infiltra una solución con los precursores que conforman el material electro-catalítico. Este proceso permite obtener partículas del material electro-catalítico de menor tamaño y aumentar el número de puntos de triple frontera respecto del observado en un electrodo compuesto[2]. Para predecir la influencia de los diferentes parámetros del electrodo infiltrado sobre su rendimiento es necesario desarrollar modelos precisos que describan los fenómenos que ocurren en el electrodo durante el funcionamiento de la celda. Es importante destacar que existen simulaciones en donde los electrodos infiltrados fueron representados utilizando el método de elementos finitos [3,4], la técnica estocástica de Monte-Carlo [1, 5] o el empaquetamiento de esferas aleatorias [6-9]. Dentro de los métodos de simulación tridimensionales podemos mencionar los basados en redes de resistencias donde cada nodo de la red representa en forma aleatoria un conductor iónico, uno electrónico o la fase gaseosa. Este tipo de modelos fueron propuestos primeramente por Sunde et. al. y Abel et. al. para el cálculo de conductividades y resistencia de polarización [1,5]. Sin embargo, no existen en la actualidad trabajos de simulación para electrodos infiltrados en 3D que utilicen una red de resistencias para el cómputo de la conductividad efectiva o la Rp, en donde el limitante sea la transferencia de carga. Es por eso que en este trabajo presentamos un estudio sobre la simulación de este tipo de electrodos, centrando el análisis en el cómputo de la Rp en función de los parámetros que caracterizan al electrodo infiltrado. Los resultados muestran la similitud de las curvas de admitancia y longitud de TPB en función de la cantidad de material infiltrado, cuando la difusión del gas en los poros del electrodo no es el proceso limitante y en el cálculo de TPBL se considera solamente la percolación de la fase conductora iónica y electrónica. Por su parte, la cantidad de material infiltrado y su tamaño de partícula pueden optimizarse logrando aumentos de la admitancia en un factor comprendido entre 10-100.