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metadata.dc.type: Dissertação
Title: Produção de materiais com gradiente funcional para células a combustível de óxido sólido
metadata.dc.creator: Batista, Rafaella Siqueira Rodrigues
metadata.dc.contributor.advisor1: Chinelatto, Adriana Scoton Antonio
metadata.dc.contributor.referee1: Wendler, Leonardo Pacheco
metadata.dc.contributor.referee2: Salem, Raphael Euclides Prestes
metadata.dc.description.resumo: Células a combustível têm como princípio a conversão de energia química em elétrica. Essas células têm como vantagem ser uma fonte de energia limpa. Existem diversos tipos de células a combustível, sendo as principais diferenças entre elas o eletrólito utilizado e a temperatura de operação. Dentre essas células, tem-se a célula a combustível de óxido sólido (CaCOS), aonde o eletrólito é composto por óxidos sólidos. As células a combustível são formadas por dois eletrodos porosos, separados por um eletrólito denso. Para a produção dos eletrólitos das CaCOS, materiais com estrutura perovskita, como ceratos e zirconatos, vêm sendo estudados por apresentarem boas propriedades de condutividade protônica, especialmente quando dopados. No ânodo, a adição de níquel a outros óxidos é muito utilizada, visando a melhoria da condutividade elétrica. A fase metálica atua facilitando a redução do combustível e criando um caminho para o íon H+ até a fronteira eletrodo-eletrólito. Um dos problemas apresentados na produção das células a combustível é a interface entre o eletrólito e os eletrodos, pois, devido às diferentes propriedades entre os materiais, podem surgir tensões que provocam descolamento entre eles. Uma das possíveis maneiras de evitar esse problema é a utilização de materiais com gradiente de composição. A variação gradual permite uma melhor adesão entre eletrodo e eletrólito e pode evitar, ou ao menos amenizar, problemas de expansão térmica. Neste trabalho foi estudada a produção, pelo processo de co-presangem, de uma meia-célula a combustível composta por um eletrólito de BCZY (BaCe0.2Zr0.7Y0.1O3–δ) e um eletrodo de BCZY-NiO, sendo o NiO adicionado na forma de gradiente funcional de composição. Foram feitas três camadas do eletrodo BCZY-Ni, com quantidade de níquel de 50, 30 e 10 % em peso (composições 50-50, 70-30 e 90-10, respectivamente). A composição inicial foi feita com NiO, e após sinterização, a amostra foi aquecida a 900oC por 6 horas, em atmosfera redutora de 96% Ar e 4% H2, para a redução do NiO a níquel metálico. A temperatura de sinterização (1350oC) foi determinada após a caracterização física das composições individualmente. Por difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva foi comprovada a formação do Ni metálico e o aumento de porosidade, nas composições 50-50 e 70-30. Por MEV, foi possível observar que a adesão entre as camadas do gradiente funcional se apresentou sem descolamentos ou trincas. Células feitas sem gradiente funcional, apenas com a camada 50-50 e BCZY apresentaram inúmeras trincas após sinterização, indicando a eficiência das camadas para manter a integridade da célula. Por espectroscopia de impedância, a condutividade para a composição 50-50 foi de 0,1 S/cm à 900°C e sua energia de ativação de 0,04 eV, indicando condutividade predominantemente eletrônica. A condutividade das composições 70-30 e 90-10 foram de 7,22·10-5 S/cm e 5,05·10-5 S/cm e suas energias de ativação de 0,52 eV e 0,51 eV, ambos resultados indicativos de condutividade predominantemente protônica. A célula apresentou condutividade de 2,14·10-3 S/cm a 800°C, valor comparável com trabalhos utilizando composições similares.
Abstract: Fuel cells principle is the conversion of chemical energy into electrical energy. These cells have the advantage of being a clean energy source. There are various types of fuel cells, and the main differences between them are the electrolyte used and the operating temperature. Among these cells, there is the solid oxide fuel cell (SOFC), in which the electrolyte is produced by solid oxides. Fuel cells are composed by two porous electrodes, separated by a dense electrolyte. To produce electrolytes of SOFC, cerates and zirconates have been studied for their good protonic conductivity properties, especially when doped. For the electrode, the addition of nickel to other oxides is widely used to improve electrical conductivity. The metallic phase facilitates the reduction of fuel and creates a path for the H+ ion to the electrode-electrolyte boundary. One of the problems presented in the fuel cells production is the interface between the electrolyte and the electrodes, as due to different properties between the materials, tensions can cause detachment between them. One possible way to avoid this problem is to use of materials with a composition gradient. The gradual variation allows a better adhesion between the electrode and the electrolyte and can avoid, or at least mitigate, thermal expansion problems. In this work, the production, by the co-pressing process, of a half-fuel cell composed of a BCZY electrolyte (BaCe0.2Zr0.7Y0.1O3–δ) and a BCZY-NiO electrode, with NiO added in the form of functional composition gradient was studied. Three layers of the BCZY-NiO electrode were made, with NiO amounts of 50, 30 and 10% by weight (compositions 50-50, 70-30 and 90-10, respectively). The initial composition was made with NiO, and after sintering, the sample was heated at 900°C for 6 hours, in a reducing atmosphere of 96% Ar and 4% H2, to reduce of NiO to metallic nickel. The sintering temperature (1350°C) was determined after the physical characterization of the compositions individually. By X-ray diffraction, scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy, the formation of metallic Ni and the increase in porosity were confirmed in the compositions 50-50 and 70-30. By SEM, it was possible to observe that the adhesion between the functional gradient layers was without detachment or cracks. Cells made without a functional gradient, with only the 50-50 layer and BCZY, showed numerous cracks after sintering, indicating the efficiency of the layers to maintain cell integrity. By impedance spectroscopy, the conductivity for the 50-50 composition was 0.1 S/cm and its activation energy 0.04 eV, indicating predominantly electronic conductivity. The conductivity of 70-30 and 90-10 compositions were 7.22x10-5 S/cm and 5.05x10-5 S/cm and their activation energies of 0.52 eV and 0.51 eV, both results indicating predominantly proton conductivity. The cell showed conductivity of 2.14x10-3 S/cm at 800°C, a value comparable to works using similar configurations of composition.
Keywords: CaCOS
condutividade mista
BCZY-NiO
gradiente funcional
SOFC
mixed conductivity
BCZY-NiO
functional gradient
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Estadual de Ponta Grossa
metadata.dc.publisher.initials: UEPG
metadata.dc.publisher.department: Departamento de Engenharia de Materiais
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências de Materiais
Citation: BATISTA, Rafaella Siqueira Rodrigues. Produção de materiais com gradiente funcional para células a combustível de óxido sólido. 2023. Dissertação (Mestrado em Engenharia e Ciência de Materiais) - Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2023.
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: http://tede2.uepg.br/jspui/handle/prefix/3894
Issue Date: 27-Feb-2023
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