Modificación de propiedades mecánicas de ánodos de Cu-Ni-Al con NPs-CeO2 para celdas de combustible de carbonato fundido.

Abstract

Las celdas de combustible son una aplicación basada en el uso de hidrógeno gaseoso para la producción de energía eléctrica, las cuales poseen diferentes clasificaciones según el electrolito utilizado. En este sentido, existen las celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC por sus siglas en inglés), las cuales operan a temperaturas cercanas a 650 °C por largos tiempos (4 años o más). Entre sus componentes se encuentran los ánodos que están compuestos por aleaciones de níquel porosas. Estos ánodos se deterioran durante la operación de la celda producto de cargas generadas por la tensión superficial del gas transportado a través de los poros y del armado de los componentes, teniendo como consecuencia un escenario propicio para termofluencia lo que motiva la investigación de nuevos materiales con mejores propiedades para esta aplicación. El presente trabajo de memoria tiene como objetivo estudiar una nueva aleación Cu-47.5Ni-5Al como ánodo para celdas de carbonato fundido con adición de nanopartículas de óxido de cerio (NPs-CeO2) y obtener propiedades mejoradas en comparación a una aleación sin modificación. La aleación se fabrica a partir de aleado mecánico (AM) a partir de 2 rutas: una a partir de una solución sólida Cu-50Ni con posterior adición de aluminio y otra desde los polvos elementales de cobre, níquel y aluminio. El análisis de la microestructura resultante se realiza por medio del análisis de datos obtenidos desde difracción de rayos-X y microscoscopía electrónica de barrido. Por otro lado, a partir de análisis termodinámico se obtiene la ruta de síntesis óptima para aleación Cu-47.5Ni-5Al, la cual posteriormente es mezclada con diferentes cantidades de NPs-CeO2 (1%, 3% y 5% en peso) y consolidada, con el fin de estudiar el comportamiento mecánico de la aleación en función de la cantidad de NPs. Los materiales consolidados (Cu-47.5Ni-5Al +x% NPs-CeO2) se caracterizan y analizan en función de su microestructura, tamaño y distribución de poros utilizando microscopía y análisis digital de imágenes. Las propiedades mecánicas se analizaron mediante ensayos de compresión a diferentes temperaturas (ambiente, 200 °C, 400 °C y 650 °C), mediciones de ultrasonido y microdureza. A partir de los resultados obtenidos, se puede mencionar que la ruta de síntesis óptima es la que involucra los polvos elementales de Cu, Ni y Al como punto de partida. Esto debido a que, por medio de modelos matemáticos, se obtiene que la energía requerida para la formación de solución sólida Cu-Ni-Al es menor por medio de esta ruta en comparación con la ruta que utiliza una solución solida Cu-50Ni como polvos de partida. Con respectos a las muestras consolidadas, se puede mencionar que la porosidad generada tiende a aumentar en tamaño a medida que se agregan mayor cantidad de NPs-CeO2. Las muestras mantienen presencia de óxidos de los elementos cobre, níquel y aluminio además de la solución sólida buscada, así como presencia de cerio en las que poseen adición de NPs. Además, se presentaron dificultades en el proceso de sinterización de muestras con 5% de NPs-CeO2 observables por medio de zonas no sinterizadas. Por otro lado, se aprecia un incremento en las propiedades mecánicas estudiadas en función de la cantidad NPs-CeO2 agregadas, tanto en microdureza, como en resistencia mecánica en compresión. Además, al incrementar la temperatura la resistencia a la compresión disminuye. Por lo tanto, los resultados reflejan que el uso de NPs-CeO2 como refuerzo para la aleación tienen un efecto positivo si existe una adecuada dispersión, debido a que actúan como barrera en el proceso de sinterización y mejoran las propiedades mecánicas.