Optimization of gadolinia doped ceria and yttria doped zirconia

As pilhas a combustível de óxido sólido (SOFC) têm um horizonte muito promissor graças ao uso de hidrogênio e outros combustíveis menos poluentes, eficiência alta devido à temperatura de operação ser acima de 800ºC e sua vasta gama de aplicações, desde alguns quilowatts até centenas de megawatts. Um dos seus componentes mais importantes é o eletrólito, que cumpre o papel de fazer a condução dos íons O2- do cátodo para o ânodo e fazer ainda a separação física entre os eletrodos. No estudo das SOFCs há dois materiais de grande interesse para uso como eletrólitos: a zircônia dopada com ítria (YSZ) e a céria dopada com gadolínia (CGO). Neste trabalho se busca otimizar as propriedades condutoras e mecânicas destes materiais. Sinterizaram-se amostras destes dois materiais e para as análises utilizou-se MEV ao se avaliar as microestruturas e mensurá-las, e também espectroscopia de impedâncias para a medição do comportamento condutivo. A YSZ é o material mais estudado para eletrólitos em SOFCs, dada sua alta condutividade iônica a temperaturas acima de 800ºC e sua resistência mecânica. Neste trabalho sinterizou-se uma amostra de YSZ a partir de prensagem a quente, diminuindo a temperatura de 1500ºC para 1200ºC e utilizando uma pressão de 65 MPa. A amostra apresentou satisfatória densificação, condutividade semelhante à amostra de referência, porém sua condutividade nos contornos de grão foi inferior à referência. Quanto à CGO, este é um dos materiais mais cotados para se tornar o eletrólito para as SOFCs de temperatura intermediária, entre 500ºC-700ºC, já que nessa temperatura possui condutividade iônica maior do que a YSZ. O objetivo é sinterizar amostras de CGO com dopagem heterogênea, adicionando pequenas quantidades de céria e gadolínia. Verificou-se que os aditivos, tanto a céria quanto a gadolínia, migraram para os contornos de grão e modificaram sobremaneira os valores de condução iônica e em alguns casos até o mecanismo de conduçãoThe solid oxide fuel cell (SOFC) has a very promising horizon due to the use of hydrogen and other cleaner fuels, efficiency due to high operating temperature, above 800°C and its wide range of uses, from a few kilowatts to hundreds of megawatts. One of its most important components is the electrolyte, as its role is the conductor of O2- ions from the cathode to the anode and to separate physically the electrodes. In the study of SOFC there are two materials with large interest for use in electrolytes: yttria doped zirconia (YSZ) and ceria doped with gadolinia (CGO). This paper seeks to optimize mechanical and conductive properties of these materials. Some samples were sintered for each one of the two materials and SEM analysis was used to evaluate the microstructures and measure them, and impedance spectroscopy for the measurement conductive behavior. The YSZ is the most studied material for electrolytes in SOFC, due to its high ionic conductivity at temperatures above 800°C and mechanical strength; this paper will attempt to densify a sample of YSZ using hot pressing, reducing the temperature of 1500°C to 1200ºC and with a pressure of 65 MPa. The sample had a satisfactory densification, and its conductivity was similar to reference sample, but its conductivity at the grain boundaries was lower than the reference. The CGO is one of the most-quoted to become the electrolyte for intermediate temperature SOFC, between 500ºC-700°C, because in this temperature CGO has higher ionic conductivity than YSZ. This paper aims to sinter samples of CGO heterogeneous doping, adding small amounts of ceria and gadolinia. It was found that the additives, both as ceria and gadolinia, migrated to the grain boundary and changed greatly the values of ion conduction and in some cases the conducting mechanis