Processamento e caracterização microestrutural e elétrica de mono célula a combustível óxido sólido (SOFC) a base de aluminatos de cálcio

Abstract

Formas alternativas de geração de energia elétrica têm sido estudadas e desenvolvidas, especialmente as que utilizam fontes renováveis. Entre estas, as células a combustível destacam-se como uma tecnologia bastante promissora. Entre os vários tipos, a célula a combustível óxido sólido (SOFC) possui a vantagem de trabalhar com conversão de vários combustíveis gasosos com atmosfera redutora que pode conter por exemplo, H2, CO, CH4, CO2 e H2O. Nestas células, o eletrólito deve ser impermeável aos gases que são difundidos nos eletrodos, para impedir que eles se misturem. O aluminato de cálcio (CA) via método dos precursores poliméricos é um material que tem potencial para ser utilizado como eletrólito em SOFC. Logo, neste trabalho propõe-se a obtenção de uma mono célula a combustível óxido sólido constituída de aluminatos de cálcio. Para este fim, o óxido de níquel é misturado com CA (CA/NIO) para obter o anodo e a manganita de lantânio dopada com estrôncio misturada com CA (CA/LSM) para obter o cátodo, ambos via síntese de combustão. Devido a diferença dos coeficientes de expansão térmica (CET) entre o eletrólito (CA) e os eletrodos (CA/NIO e CA/LSM), é necessário a adição do CA aos eletrodos. Para a montagem da mono célula foi utilizado o método de prensagem associado à técnica de Materiais com Gradiente de Funcionalidade (FGM), obtendo-se diversas camadas com proporções distintas dos eletrodos. Posteriormente, foi realizado o teste de funcionamento e desempenho da mono SOFC. Diferentes caracterizações foram realizadas como, MEV e MET, análise química, propriedades térmicas, gap ótico, propriedades elétricas em corrente DC e AC, densidade aparente e relativa bem como a caracterização eletroquímica para testar a desempenho da mono SOFC com gás acetileno. Após as caracterizações dos pós do CA, verificou-se a partir das análises de difração de Raios X e Raman, a presença e coexistência das duas fases: Ca3Al2O6 (celita) com 70,157 % e Ca12Al14O33 (mayenita) com 29,843 %, chamado Composição Bifásica de Celita e Mayenita auto-modificada (CBCM). Além disso, foi observado que possui uma condutividade mista (iônica e eletrônica) e sob a condição de uma atmosfera redutora, na faixa de temperatura de 750-950 °C, uma energia de ativação de 2,98 eV. Nesse contexto, o CA possui um transporte eletrônico de condução, podendo ser governado pela fase de menor concentração, a mayenita, por sua natureza e concentração de grandes defeitos. Em relação ao teste de desempenho e funcionamento da célula, utilizou-se a atmosfera de pC2H2 (anodo)= 0,7537 mV. Atmosfera não usada normalmente, sendo portanto um diferencial neste trabalho. Outra medida foi de potencial de circuito aberto na temperatura de 600 °C, obtendo-se um valor de 915 mV, bem próximo ao esperado, Potencial de Nernst de 1200 mV.

Alternative forms of electric power generation have been studied and developed, especially those that use renewable sources. Among these, fuel cells stand out as a very promising technology. Among the various types, the solid oxide fuel cell (SOFC) has the advantage of working with conversion of various gaseous fuels with reducing atmosphere, which may contain, for example, H2, CO, CH4, CO2 and H2O. In these cells, the electrolyte must be impermeable to the gases that are diffused on the electrodes, to prevent them from mixing. Calcium aluminate (CA) via the polymer precursor method is a material that has potential to be used as an electrolyte in SOFC. Therefore, the purpose of this work is to obtain a solid oxide solid cell composed of calcium aluminates. To this end, the nickel oxide is mixed with CA (CA/NIO) to obtain the anode and lanthanum manganite doped with strontium mixed with CA (CA/LSM) to obtain the cathode, both via combustion synthesis. Due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the electrolyte (CA) and the electrodes (CA/NIO and CA/LSM), it is necessary to add the CA to the electrodes. For the assembly of the mono cell, the pressing method associated to the Gradient Functional Materials (FGM) technique was used, obtaining several layers with different proportions of the electrodes. Subsequently, the performance and performance test of the SOFC mono was performed. Different characterizations were performed such as SEM and TEM, chemical analysis, thermal properties, optical gap, electrical properties in DC and AC current, apparent and relative density as well as the electrochemical characterization to test the performance of mono SOFC with acetylene gas. After the characterization of the CA powders, the presence and coexistence of the two phases: Ca3Al2O6 (celite) with 70,157 % and Ca12Al14O33 (mayenite) with 29,843 %, called Biphasic Composition of Celite and self-modified Mayenite (CBCM). In addition, it was observed that it has a mixed conductivity (ionic and electronic) and under the condition of a reducing atmosphere, in the temperature range of 750-950 °C, an activation energy of 2.98 eV. In this context, the CA has an electronic transport of driving, and can be governed by the phase of lower concentration, the mayenite, by its nature and concentration of major defects. Regarding the performance and cell performance test, the atmosphere of pC2H2 (anode) = 0.7537 mV was used. Atmosphere not used normally, therefore being a differential in this work. Another measure was open circuit potential at a temperature of 600 °C, obtaining a value of 915 mV, very close to the expected, Nernst potential of 1200 mV.