SEPARACIÓN DE FASES DE IMPUREZAS DE DISPOSITIVOS ELECTROQUÍMICOS.

Separación de fases de impurezas de dispositivos electroquímicos La presente invención se refiere a un nuevo método para la movilización y separación de impurezas a partir de límites de granos y sitios de electrodo reactivo (límites de tres fases) en dispositivos electroquímicos en estado sólido y, además, se refiere a un dispositivo de este tipo. La invención es particularmente adecuada para uso en celdas de óxido sólido (SOCs - siglas en inglés), celdas de purificación de gas de combustión electroquímicas y membranas para la separación de oxígeno o hidrógeno. Además de ello, la invención se refiere, específicamente, a un sistema de adsorción avanzado que, durante la sinterización del componente, atrae y une impurezas indeseadas presentes en los materiales brutos. Además de ello, la invención se refiere a un método para activar y movilizar las fases de impurezas antes mencionadas con el fin de potenciar la difusión de fases de impurezas a partir de límites de grano y sitios de electrodo reactivo hacia las zonas de adsorción. Antecedentes de la invención E07017097 11-01-2012 Celdas de óxido sólido (SOCs), como un ejemplo de un dispositivo electroquímico, incluyen generalmente celdas diseñadas para diferentes aplicaciones tales como celdas de combustible de óxido sólido (SOFCs siglas en inglés), celdas de electrolisis de óxido sólido (SOECs siglas en inglés) o membranas. Debido a su estructura básica común, la misma celda se puede diseñar con el fin de que sea utilizada en aplicaciones de SOFC así como en aplicaciones de SOEC. Dado que en SOFCs el combustible es alimentado a la celda y convertido en energía, mientras que en SOECs la energía es aplicada para producir combustible, a estas celdas se las alude como reversibles. Celdas de combustible de óxido sólido (SOFCs) son bien conocidas en la técnica y se presentan en diversos diseños. Configuraciones típicas incluyen una capa de electrolito emparedada entre dos electrodos. Durante el funcionamiento, habitualmente a temperaturas de aproximadamente 500ºC hasta aproximadamente 1100ºC, un electrodo está en contacto con oxígeno o aire, mientras que el otro electrodo está en contacto con un gas combustible. Además de ello, habitualmente se utiliza una capa de soporte durante la producción de la celda para alojar una capa de electrodo de la misma, con lo que dicho soporte proporciona una estabilidad mecánica adicional de la celda y también puede funcionar, por ejemplo, como un colector de corriente eléctrica. En la Figura 1 se muestra una celda soportada en el ánodo y un principio operativo general en un modo de SOFC. En el cátodo, que habitualmente comprende manganato de lantano/estroncio (LSM siglas en inglés) y zirconia estabilizada con ytria (YSZ - siglas en inglés), se forman iones oxígeno formados a partir del gas oxígeno proporcionado, los cuales migran a través de la capa de electrolito para combinarse con el gas hidrógeno proporcionado en el ánodo que comprende YSZ y Ni con el fin de formar agua y electrones. Los electrones se recogen en el colector de corriente eléctrica del ánodo, que en la Figura 1 está ejemplificado como una combinación de un soporte para la estabilidad mecánica y un colector de corriente eléctrica, formando una capa más gruesa. En sistemas electrocatalíticos avanzados tal como los que se encuentran en SOCs, la química de la superficie juega un papel importante durante el funcionamiento, y la presencia de impurezas/aditivos en las respectivas superficies tiene una influencia principal sobre el rendimiento y la durabilidad del dispositivo. Los procedimientos de fabricación de sistemas electrocatalíticos de este tipo comprenden actualmente, en general, el uso de materiales de partida puros con el fin de evitar cualquier incorporación indeseada de impurezas que deteriore el rendimiento posterior del dispositivo. Materiales de partida puros son habitualmente materiales disponibles en el comercio con una pureza tan elevada como de aproximadamente 99,9%. Sin embargo, a pesar de que se considera que dichos materiales de partida tienen un alto grado de pureza, para fines de materiales de partida utilizados en SOCs, éstos siguen conteniendo una cantidad considerable de impurezas que deterioran el rendimiento posterior del dispositivo, especialmente cuando están presentes en los límites de grano y los sitios de electrodo reactivo, incluso a dichos niveles de pureza de los materiales de partida. Desde el lado positivo, la presencia de dichas impurezas tales como SiO2, Al2O3, óxidos de metales alcalinos y alcalinotérreos, y similares, en los materiales de partida de óxidos ayudan ventajosamente al proceso de sinterización 2   al proporcionar una fase líquida. En los dispositivos finalmente obtenidos, dichas impurezas se encuentran a menudo en forma de películas de vidrio ultrafinas sobre superficies, en límites de granos o en interfaces de los componentes en el sistema. La adición deliberada de diversos auxiliares de sinterización durante la fabricación también afectará a las propiedades de la fase de vidrio. La fase de vidrio puede ser amorfa, cristalina o una combinación de las mismas. Sin embargo, la presencia de fases de impurezas de este tipo puede resultar en una disminución de la conductividad debido a la localización en los límites de grano (GB siglas en inglés), en una disminución en la actividad catalítica debido al bloqueo de los límites de tres fases (TPB siglas en inglés) y en una desestratificación del dispositivo debido al debilitamiento de la interfaz, tensiones térmicas y posibles cambios de fase durante el funcionamiento. Además de ello, durante la fabricación de una celda de óxido sólido se pueden añadir de forma intencionada diversos aditivos como una fuente adicional de impurezas de este tipo, por ejemplo en forma de aditivos de sinterización. Aun cuando estos aditivos de sinterización mejoran la formación de la capa durante el proceso de fabricación, se encontró que la presencia de estos aditivos puede, no obstante, resultar desventajosamente en un rendimiento deteriorado de la celda. Así, aun cuando diversos aditivos pueden ser ventajosos para mejorar los procedimientos de fabricación de las celdas, al mismo tiempo pueden representar desventajosamente otra fuente de impurezas que puede difundirse a los límites de grano y los sitios de electrodo reactivo durante el funcionamiento y deteriorar el rendimiento global de la celda. El documento US 2003/0052392 A1 se refiere a un dispositivo que comprende una base que incluye un material separador de contaminantes en forma de depósitos discretos, que están configurados con el fin de ser expuestos, al menos en parte, al entorno atmosférico del dispositivo. El material separador de contaminantes se selecciona preferiblemente del grupo que consiste en Zr, Ti, Nb, Ta, V y aleaciones de estos metales y puede contener, además, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Al, Y, La y tierras raras. El documento US 6.544.665 describe un revestimiento de barrera térmica que comprende pequeñas cantidades de precipitados de alúmina dispersados a lo largo de los límites de grano y poros del revestimiento para oxidar impurezas de la adsorción que, de otro modo, permitirían o fomentarían la sinterización y el engrosamiento de los granos y el engrosamiento de los poros. El documento WO-A-20051122300 describe una celda de SOFC, que comprende: - un material de soporte metálico, - una capa de ánodo activo que consiste en un buen catalizador de craqueo de hidrocarburos, - una capa de electrolito, - una capa de cátodo activo, y - una capa de transición que consiste preferiblemente en una mezcla de LSM y - una ferrita hacia colector de corriente eléctrica del cátodo, estando previstos medios para evitar la difusión entre el soporte metálico y el ánodo activo. La patente de EE.UU. 6.099.985 se refiere a un ánodo de SOFC que se fabrica a partir de ceria que ha sido mezclada con un material de óxido de níquel-óxido de magnesio para estabilizar el níquel frente al engrosamiento durante el funcionamiento de la SOFC a alta temperatura. A la vista de lo anterior, existe el deseo de reducir la cantidad de impurezas en los límites de grano y los sitios de electrodo reactivo con el fin de mejorar el rendimiento global del dispositivo. Objeto de la invención Era el objeto de la presente invención proporcionar una celda de óxido sólido con un rendimiento mejorado y una vida prolongada, y un procedimiento para producir la misma. Breve descripción de la invención E07017097 11-01-2012 La presente invención proporciona una celda de óxido sólido que comprende una capa de soporte, una primera capa 3   de electrodo, una capa de electrolito y una segunda capa de electrodo, en donde al menos una de las capas de electrodo comprende material de electrolito, un catalizador y partículas aglomeradas,... [Seguir leyendo]

1.- Una celda de óxido sólido que comprende una capa de soporte, una primera capa de electrodo, una capa de electrolito y una segunda capa de electrodo, en donde al menos una de las capas de electrodo comprende un material de electrolito, un catalizador y partículas aglomeradas, seleccionadas del grupo que consiste en óxidos de metales alcalinos, óxidos de metales alcalinotérreos y óxidos de metales de transición, y en donde las partículas aglomeradas tienen un tamaño de partícula en el intervalo de 0,5 a 10 m y un diámetro de poros entre 10 nm y 0,5 m. 2.- La celda de óxido sólido de la reivindicación 1, en donde el primer electrodo es un ánodo y el segundo electrodo es un cátodo. 3.- La celda de óxido sólido de la reivindicación 1, en donde el primer electrodo es un cátodo y el segundo electrodo es un ánodo. 4.- La celda de óxido sólido de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde las partículas aglomeradas comprenden un óxido seleccionado del grupo que consiste en Al2O3, MgO, CaO, CaZrO3, SrZrO3, BaZrO3, y mezclas de los mismos. 5.- La celda de óxido sólido de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el material del electrolito es un conductor de iones óxido, p. ej. seleccionado del grupo que consiste en zirconia impurificada, ceria impurificada, galatos impurificados y electrolitos cerámicos conductores de protones. 6.- Una celda de óxido sólido que comprende una capa de soporte, una capa de ánodo, una capa de electrolito y una capa de cátodo, en donde la celda comprende, además, una capa de sumidero de impurezas entre la capa de soporte y la capa de ánodo y/o sobre la parte superior de la capa de cátodo, en donde la capa de sumidero de impurezas comprende partículas aglomeradas seleccionadas del grupo que consiste en óxidos de metales alcalinos, óxidos de metales alcalinotérreos y óxidos de metales de transición, y en donde las partículas aglomeradas tienen un tamaño de partícula en el intervalo de 0,5 a 10 m y un diámetro de poros entre 10 nm y 0,5 m. 7.- La celda de óxido sólido de la reivindicación 6, en donde las partículas aglomeradas en la capa del sumidero de impurezas comprenden un óxido seleccionado del grupo que consiste en Al2O3, MgO, CaO, CaZrO3, SrZrO3, BaZrO3, y mezclas de los mismos. 8.- La celda de óxido sólido de la reivindicación 6, en donde la capa del sumidero de impurezas comprende un material de electrolito seleccionado del grupo que consiste en zirconia impurificada, ceria impurificada, galatos impurificados y electrolitos conductores de protones. 9.- Un método para producir la celda de óxido sólido de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende las etapas de: - proporcionar una capa de soporte; - aplicar una primera capa de electrodo sobre la capa de soporte; - aplicar una capa de electrolito sobre la parte superior de dicha capa de ánodo; - aplicar una segunda capa de electrodo sobre la parte superior de dicha capa de electrolito; - sinterizar la estructura obtenida, en donde al menos una de las primera y segunda capas de electrodo comprende partículas aglomeradas, seleccionadas del grupo que consiste en óxidos de metales alcalinos, óxidos de metales alcalinotérreos y óxidos de metales de transición, y en donde las partículas aglomeradas tienen un tamaño de partícula en el intervalo de 0,5 a 10 m, y un diámetro de poros entre 10 nm y 0,5 m. 10.- Un método para producir la celda de óxido sólido de la reivindicación 6, que comprende las etapas de: - proporcionar una capa de soporte; 18 E07017097 11-01-2012   - opcionalmente, aplicar una capa de sumidero de impurezas sobre la capa de soporte; - aplicar una primera capa de electrodo sobre la capa de soporte o sobre la capa de sumidero de impurezas; - aplicar una capa de electrolito sobre la parte superior de dicha primera capa de electrodo; - aplicar una segunda capa de electrodo sobre la parte superior de dicha capa de electrolito; - opcionalmente, aplicar una capa de sumidero de impurezas sobre la parte superior de dicha segunda capa de electrodo y sinterizar la estructura obtenida, en donde la celda producida comprende al menos una capa de sumidero de impurezas, y en donde dicha capa de sumidero de impurezas comprende material de electrolito, un catalizador y comprende partículas aglomeradas, seleccionadas del grupo que consiste en óxidos de metales alcalinos, óxidos de metales alcalinotérreos y óxidos de metales de transición, y en donde las partículas aglomeradas tienen un tamaño de partícula en el intervalo de 0,5 a 10 m, y un diámetro de poros entre 10 nm y 0,5 m. 11.- El método de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 10, en el que la etapa de sinterización se lleva a cabo a una temperatura de 900 a 1300ºC. 12.- El método de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que la etapa de sinterización se lleva a cabo en una atmósfera con una humedad relativa de al menos 30%. 13.- El método de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que la etapa de sinterización se lleva a cabo en una atmósfera con una humedad relativa de al menos 50%. 19 E07017097 11-01-2012   E07017097 11-01-2012   21 E07017097 11-01-2012   22 E07017097 11-01-2012   23 E07017097 11-01-2012   24 E07017097 11-01-2012   E07017097 11-01-2012   26 E07017097 11-01-2012   27 E07017097 11-01-2012