Experimental characterization of a microtubular solid oxide fuel cell fueled with hydrogen, methane and hydrogen sulfide

Résumé

A characterization of a microtubular-type Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) has been performed using an electrochemical approach. Hydrogen and methane (both pure and diluted with argon) were used as fuels for the fuel cell, and also some preliminary results of hydrogen sulfide contamination were performed. These are important experiments to determine if this kind of fuel cells is suitable to be used with alternative and renewable fuels such as coal gas or biomass gas. The methods included analysis of transitory response, polarization curves, electrochemical impedance spectroscopy, outlet gas composition analysis by means of a mass spectrometer and electrochemical reaction analysis. The results show that methane could be used as a fuel for this kind of fuel cells as long as the fuel cell is not kept at open circuit potential, given that no cell degradation was observed under those conditions. The results with hydrogen sulfide showed an irreversible performance decrease at the first stages of contamination. After this initial performance decrease no further degradation was observed which indicates that this kind of fuel cells could be a suitable way of energetically use some alternative and renewable gases. These results constitute an important step to determine the tolerance levels of this kind of fuel cells towards methane and hydrogen sulfide and contribute to the investigation line that tries to determine the required fuel quality for this kind of fuel cell in terms of the admissible content of each contaminant. In addition to this, the use of electrochemical techniques to analyze the behavior of a Solid Oxide Fuel Cell constitutes a real innovation since the traditional approaches for this type of fuel cells were based on material science. -------------------------------- La caracterización de una pila de combustible de Óxido Sólido de tipo microtubular ha sido llevada a cabo usando un enfoque electroquímico. Se usó hidrógeno y metano como combustibles puros y diluidos con argón, y también se obtuvieron unos resultados preliminares de contaminación con ácido sulfhídrico. Estos experimentos son importantes para determinar si este tipo de pilas son adecuados para el aprovechamiento energético de combustibles renovables y alternativos como el gas procedente de la gasificación de biomasa o carbón. Los métodos utilizados incluyen el análisis de la respuesta transitoria, curvas de polarización, espectroscopía de impedancia electroquímica, análisis de la composición del gas a la salida de la pila a través de un espectrómetro de masas y el análisis de las posibles reacciones electroquímicas. Los resultados muestran que el metano podría ser utilizado como combustible para este tipo de pilas siempre y cuando la pila no opere a circuito abierto, dado que no se observó degradación en el rendimiento de la pila bajo dichas condiciones. Los resultados con ácido sulfhídrico muestran una pérdida de rendimiento irreversible en las primeras etapas de la contaminación. Tras esta bajada inicial del rendimiento, no se observó una mayor degradación de la pila lo que indica que este tipo de pilas de combustible podrían ser una solución viable para el aprovechamiento energético de determinados combustibles alternativos y renovables. Estos resultados constituyen un paso importante para determinar los niveles de tolerancia de este tipo de pilas para el metano y el ácido sulfhídrico y contribuyen a la línea de investigación que trata de determinar la calidad requerida del combustible para este tipo de pilas de combustible en términos del contenido admisible de cada contaminante. Además, el uso de técnicas electroquímicas para analizar el comportamiento de las pilas de combustible de Óxido Sólido constituye una verdadera innovación ya que los enfoques tradicionales para este tipo de pilas están basados principalmente el la ciencia de materiales.