Desenvolvimento de célula a combustível de óxido sólido pelo método de colagem de fita e co-sinterização

Abstract

A célula a combustível de óxido sólido (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC) é um dispositivo capaz de converter energia química em energia elétrica com elevada eficiência. Uma SOFC de última geração é constituída por dois eletrodos porosos (anodo e catodo) separados por uma camada fina de eletrólito denso. Técnicas cerâmicas tradicionais têm sido estudadas para a produção em série deste dispositivo, que possui exigências de controle e reprodutibilidade, usualmente, obtidas por técnicas físicas de deposição. A fabricação de SOFC envolve desafios de processamento cerâmico importantes para obter camadas com microestrutura controlada a um baixo custo. Neste contexto, uma forte tendência para a fabricação em escala de SOFC aponta para o uso da técnica da colagem de fita. Neste projeto foram estudados os materiais, processamento e configurações ideias para a produção de SOFC's. O foco desse projeto de mestrado é a produção de eletrólitos suporte pelo método de colagem de fita e de meias células suportadas no anodo pelo método de colagem de fitas sequencial seguida pela co-sinterização. Neste estudo, foram produzidas fitas a partir de materiais como zircônia estabilizada por ítria (YSZ) e de céria dopada com gadolínia (CGO) juntamente com a adição de óxido de níquel (NiO) às cerâmicas para a produção de meias células suportadas no anodo e de eletrólitos suporte. Para a produção das camadas de fitas foram preparadas barbotinas, utilizando-se o pó cerâmico de interesse, os agentes dispersante, ligante, plastificante, solvente e formador de poro para as camadas de anodo. Estes reagentes foram processados em moinho de bolas controlando-se o tempo e a velocidade de rotação. A barbotina foi moldada com auxílio de "doctor blade" dupla para o controle da espessura da fita verde. Análises de viscosidade foram realizadas para avaliação do comportamento reológico das barbotinas para a realização da colagem de fita. Análises termogravimétricas das fitas foram realizadas para encontrar as temperaturas de calcinação de 500ºC e 800ºC para eletrólitos suportes e meias células respectivamente. As análises termomecânicas, densidade hidrostática e microscopias eletrônicas de varredura auxiliaram na determinação das temperaturas de sinterização ideais para o controle da porosidade e microestrutura das fitas, estipulando-se 1500ºC para eletrólitos suporte e 1450ºC para as meias células. Após o tratamento térmico às fitas foram depositados os eletrodos para a realização dos testes em célula unitária. Análises eletroquímicas sob hidrogênio das células unitárias suportadas no anodo e eletrólito foram realizadas em estações de testes de desempenho de SOFC. Os resultados preliminares indicaram que as amostras de meias células suportadas no anodo produzidas pela técnica de colagem de fita sequencial e co-sinterização tem potencial de crescimento. Ao final as amostras testadas foram fraturadas e analisadas por microscopia eletrônica de varredura, para verificar a adesão, espessura e a porosidade das camadas.