Las celdas de combustible de óxido sólido (cuyo acrónimo en inglés es SOFC) son dispositivos energéticos capaces de convertir la energía química de un combustible directamente en energía eléctrica. Esto las dota de unas eficiencias eléctricas muy elevadas, que pueden llegar a ser del 80% si se aprovecha su calor residual de alta calidad mediante turbinas. Además, son capaces de funcionar con una gran variedad de combustibles: hidrógeno, gas natural, gas de síntesis, etanol, metanol, etc. Sin embargo, para su inserción en la cadena de producción energética, su temperatura de funcionamiento debería disminuir al rango de 500-700 ºC sin que se redujeran las densidades de potencias eléctricas generadas.
Las SOFC convencionales se basan en la conducción de iones oxígeno de su electrolito, que separa la reacción de combustión del combustible en sus semi-reacciones electroquímicas, generando de este modo la energía eléctrica directamente. Al disminuir la temperatura de operación en este tipo de SOFC, con electrolitos (o membranas) delgados e hidrógeno como combustible, la principal limitación de funcionamiento se centra en la activación y reducción del oxígeno que tiene lugar en el electrodo denominado cátodo. Por otro lado, el empleo de otros combustibles basados en carbono no es compatible con los materiales de ánodos actualmente utilizados.
Por tanto, es necesario el desarrollo de nuevos cátodos con mejoradas propiedades electrocatalíticas para la reducción de oxígeno a menores temperaturas, cuyas propiedades termo-mecánicas sean compatibles con las del resto de componentes de la celda, y la obtención de ánodos capaces de funcionar con combustibles basados en carbono.
La combinación conjunta de varios lantánidos y bario en la estructura perovskita (LalPrpSmsBab)0.58Sr0.4Fe0.8Co0.2O3 ha permitido obtener compuestos con resistencias de polarización de electrodo significantemente menores que las mostradas por el cátodo del estado de la técnica La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3 en el rango de temperaturas 450-650 ºC. La mejora en la activación y difusión del oxígeno de estos materiales se ha asociado a procesos cooperativos que derivan de la combinación conjunta de dos o tres elementos en la misma posición de la estructura cristalina. Los resultados confirman que el aumento de intercambio superficial y de difusión del oxígeno son los responsables del incremento de la electrocatálisis de estos cátodos con múltiples elementos. Las composiciones La0.2175Pr0.2175Ba0.145Sr0.4Fe0.8Co0.2O3 o Pr0.435Ba0.145Sr0.4Fe0.8Co0.2O3, que ofrecen valores de resistencia de polarización de 80 y 190 mOhm•cm2 a 650 ºC respectivamente, se proponen como cátodos prometedores de celdas de combustible de óxido sólido que operen a temperaturas intermedias.
El estudio electroquímico realizado en estructuras cristalinas basadas en swedenborgitas MBaCo3ZnO7 con Y, Er y Tb en la posición M, reveló una actividad para la activación de oxígeno comparable a la del cátodo La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3 en el rango de 500-650 ºC: los valores de resistencia de polarización de electrodo obtenidos a 650 ºC para los compuestos TbBaCo3ZnO7 e YBaCo3ZnO7 fueron 0.46 y 1.29 Ohm•cm2 respectivamente. La compatibilidad térmica de los cátodos con el resto de los materiales de la celda se puede mejorar utilizando los compuestos basados en MBaCo3ZnO7. Concretamente, para el compuesto TbBaCo3ZnO7, el valor del coeficiente de expansión térmica se calculó en 9.45•10-6 K-1 en el rango de 25-900 ºC, casi la mitad que el del compuesto La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3. Además, la estabilidad química del compuesto TbBaCo3ZnO7 con el material de electrolito Ce0.8Gd0.2O1.9 y su tolerancia al CO2 lo hacen un buen candidato para su aplicación como cátodo de celdas de combustible de óxido sólido, con una degradación de 1 mOhm•cm2•h-1.
La activación electrocatalítica de metano se ha podido conseguir en perovskitas de composición La1-xSrxCr1-yNiyO3. Estos compuestos han mostrado ser estructuralmente estables en condiciones reductoras y tras ciclados redox. El contenido en níquel que minimiza la resistencia de polarización de estos electrodos está cercano al 10% molar. Así, la composición La0.85Sr0.15Cr0.9Ni0.1O3 ha mostrado los menores valores de resistencia de polarización y energía de activación en el rango de 650 a 900 ºC, tanto en hidrógeno como en metano. La formación de nanopartículas de níquel metálico en la superficie del ánodo reducido es responsable de la mejora de las reacciones superficiales de activación del combustible. La disminución de la temperatura inicial de reducción, en compuestos con un contenido bajo de níquel permite obtener una mayor dispersión de nanopartículas más pequeñas que mejoran los procesos superficiales. La posible formación de coque en los centros activos de níquel, que limitaría el funcionamiento del ánodo, se podría eliminar con la regeneración del electrodo los mismos mediante un proceso de oxidación. Esta re-oxidación del electrodo permite reincorporar las nanopartículas de níquel metálico a la estructura cristalina. Del mismo modo, se ha comprobado la capacidad de reformado de metano con vapor de este tipo de compuestos electrocatalíticos regenerables, obteniéndose un 30% de conversión de metano a 900 ºC.