Processamento de multicamadas porosas/densas de YSZ para pilhas de combustível de alta temperatura

Abstract

A pilha de combustível é parte integrante de um sistema de conversão de energia, que converte a energia química do combustível diretamente em energia elétrica, sem necessidade de etapas intermédias, promovendo uma maior eficiência relativamente aos sistemas convencionais. Dentro dos vários tipos de pilhas de combustíveis existentes, o foco para o desenvolvimento desta dissertação é a SOFC (“Solid Oxide Fuel Cell”), este tipo de pilha utiliza um óxido como eletrólito, com uma temperatura de funcionamento entre os 600-1000 ºC, e contêm uma eficiência energética na produção de energia elétrica superior a 70%. O principal objetivo deste trabalho foi o processamento de camadas porosas/densas de YSZ por emulsificação de suspensões concentradas num meio orgânico (parafina) e posterior deposição da camada densa por spin coating, utilizando um ligante CMC com 35%(v/v) e sinterizadas a 1450 oC, com um tempo de envelhecimento do ligante de 24h a 30h para que o produto final seja um material multicamada, para posterior impregnação com solução de nitrato de níquel (da camada porosa, densa e porosa-densa-porosa), de forma a criar uma associação correspondente a um ânodo e um eletrólito de uma SOFC, após a redução do nitrato de níquel a metal, por tratamento térmico com controlo da pressão parcial de oxigénio. A caracterização elétrica em condições oxidantes e redutoras das amostra obtidas permitiu verificar que o mecanismo de condução não se altera com a porosidade e/ou presença de níquel (condições oxidantes). Contudo existe uma ligeira alteração nos declives de reta da condutividade da fronteira de grão e da condutividade volúmica da amostra porosa-densa-porosa após a impregnação do níquel, esta alteração pode ser justificada através do aparecimento de uma segunda fase (Ni2Zr3). Após a redução, verifica-se uma diminuição da condutividade da amostra devido à oxidação do níquel metálico para óxido de níquel.

Fuel cell is an energy conversion system that converts chemical energy of fuel directly into electrical energy without intermediate steps, providing higher efficiency when compared with conventional systems. Within the types of fuel cells, this thesis is focused in Solid Oxide Fuel Cell, SOFC. This fuel cell use an oxide as the electrolyte, with operating temperature between 600-1000 °C, and have an efficiency close to 70%. The main objective of this work was the processing of porous / dense layers of YSZ by emulsification of concentrated suspensions in an organic medium (paraffin) and subsequent deposition of the dense layer by spin coating using a CMC binder with 35 % (v / v ) and sintered to 1450 ° C , with a binder aging time of 24h to 30h so that the final product is a multilayer material for subsequent impregnation with nickel nitrate solution ( the porous layer , dense, porous , thick - porous ) so creating a corresponding association with an anode and an electrolyte of a SOFC , after reduction of the metal to nickel nitrate , by thermal treatment with controlled oxygen partial pressure. The electrical characterization in oxidizing and reducing conditions of sample obtained has shown that the driving mechanism does not change porosity and / or presence of nickel ( oxidizing conditions ) . However there is a slight change in the straight slopes of the conductivity of the grain boundary density and conductivity of porous - dense - porous sample after nickel impregnation, this change can be justified by the appearance of a second phase ( Ni2Zr3 ) . After the reduction , there is a decrease in the conductivity of the sample because of oxidation of metallic nickel to nickel oxide.