Síntese, caracterização e processamento com tecnologia de baixo custo de ânodo NiO/ReYSZ utilizado em células combustíveis do tipo SOFC’s

Abstract

A célula combustível é um dispositivo que transforma diretamente energia química, resultante de uma reação de oxidação de um combustível, em energia elétrica, sendo assim considerada fonte de energia limpa. As células a combustível podem ser classificadas de acordo com o eletrólito que utilizam e pela temperatura de operação que dão origem as reações eletroquímicas. Os elementos principais que compõem uma célula de óxido sólido (SOFC) são o eletrólito sólido denso situado entre dois eletrodos porosos, o ânodo e o cátodo. Os eletrólitos podem ser fabricados principalmente por zircônia estabilizada com ítria (YSZ), céria dopada com gadolínio (GDC) e o galato de lantânio dopado com estrôncio e magnésio (LSGM); os ânodos são compostos por cerâmico-metal sendo os mais comuns à base de níquel, cobre e do lantânio, podendo ser seu composto cerâmico o mesmo do eletrólito; e os cátodos principalmente por manganita de lantânio dopada com estrôncio (LSM), a ferrita de lantânio dopada com estrôncio (LSF) e a cobaltita de samário dopada com estrôncio (SSC). As técnicas de construção e materiais para os diversos tipos de células a combustível estão em crescente estudo, porém, têm sido técnicas com altos custos. O objetivo deste trabalho é estudar e aplicar uma nova metodologia de baixo custo para deposição do ânodo nas células a combustível de óxido sólido. A síntese do material particulado foi realizada pelo método dos precursores poliméricos (Pechini) e caracterizada por difração de raios X (DRX), analise térmica diferencial/termogravimétrica (ATD/TG). Foram construídos eletrólitos sólidos separados para estudar a aplicação da zircônia dopada com 11% de óxido de ítrio (YSZ-11) para este fim, caracterizados por microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de impedância, e os resultados mostraram em eletrólitos densos (92%) e com condutividade de 7,84 10-4Ω-1cm-1 a 385°C. A metodologia proposta consiste na deposição de um suporte para o ânodo de YSZ por prensagem uniaxial de maneira que haja boa aderência entre o eletrólito e o eletrodo. Foram construídas células simétricas (ânodo/eletrólito/ânodo) com 0,300g de YSZ-11 para constituir o eletrólito, variando a massa do suporte de ânodo para estudar o comportamento. A aderência entre estes componentes é garantida, pois tanto o eletrólito quanto o eletrodo têm a mesma composição: zircônia dopada com óxidos mistos de terras raras, procedendo a sinterização com o primeiro aquecimento a 900ºC em uma taxa de aquecimento de 5ºC/min com patamar de 5 minutos nesta temperatura, segundo aquecimento até 1500 ºC a uma taxa de 2ºC/min por duas horas e resfriamento a uma taxa de de 10ºC/min até 40 ºC. O material catalítico, óxido de níquel, foi depositado nas superfícies das amostras numa proporção de 1mg para cada superfície. As amostras foram caracterizadas por difração de raios-x revelando a presença da YSZ-11 e do óxido de níquel nas superfícies das amostras, por microscopia eletrônica de varredura que comprovou a uniformidade da distribuição do óxido de níquel junto a superfície do suporte de ânodo poroso, porosidade de Arquimedes que revelou amostras com porosidade aparente acima de 30% e por espectroscopia de impedância, sendo a menor resistência associada às amostras com menor quantidade em massa de suporte de ânodo e maior porosidade aparente.