Otimização da microestrutura de componentes de pilhas a combustível de óxido sólido a temperaturas intermediárias

As pilhas a combustível de óxido sólido são dispositivos capazes de converter energia química em energia elétrica de forma altamente eficiente e com baixa geração de resíduos. Portanto, possivelmente elas serão um dos principais dispositivos energéticos do futuro. Entretanto, para a utilização difundida das mesmas, muitos estudos ainda são necessários no sentido de se obter bons desempenhos mesmo a temperaturas intermediárias (600 a 800 °C), as quais favoreceriam a redução de preço e o aumento da vida útil desses dispositivos. Para isso, torna-se necessário o desenvolvimento dos constituintes dessa pilha, tanto no que diz respeito à composição quanto à morfologia desses materiais. Neste trabalho, procurou-se desenvolver o catodo funcional e o catodo coletor (constituídos pela cobaltita férrica de lantânio dopada com estrôncio) bem como um dos eletrólitos da PaCOS (constituído pela céria dopada com gadolíneo). O objetivo principal foi desenvolver a microestrutura desses componentes, uma vez que o eletrólito deve ser denso enquanto o catodo coletor deve ser poroso e o catodo funcional deve apresentar porosidade intermediária em relação às camadas adjacentes. Para atingir essa microestrutura, diversas variáveis da produção de materiais cerâmicos foram avaliadas, como: granulometria dos pós, utilização de dopantes para o favorecimento da densificação da céria dopada com gadolíneo, viscosidade das suspensões cerâmicas, utilização de formadores de poros, técnica de deposição dos filmes (serigrafia ou aerografia), parâmetros da deposição dos filmes (como velocidade, pressão, número de camadas, malha da tela de serigrafia), tipo de tratamento térmico utilizado, etc. Além do aspecto morfológico, o comportamento eletroquímico também foi avaliado, visto que se desejava obter materiais que fossem bons condutores elétricos. A influência da composição do pó, da dopagem, da utilização de aditivos e da temperatura de sinterização sobre a condutividade desses materiais foi avaliada. Os resultados mostraram ser possível obter um eletrólito denso de céria dopada com gadolíneo por aerografia quando se utiliza dopagem com zinco e uma temperatura de sinterização de 1500 °C. Quanto ao catodo coletor, o formador de poros de grafite possibilitou a obtenção de uma estrutura porosa e com boa condutividade, sendo apropriada a utilização da composição La0,6Sr0,4Co0,8Fe0,2O3-[delta], Já o catodo funcional mostrouse eficiente quando preparado na forma do compósito de La0,54Sr0,44Co0,2Fe0,8O3/ Gd0,2Ce0,8O2-[delta], sendo sinterizado em temperatura superior a do catodo coletor.The solid oxide fuel cells are devices capable of converting chemical energy into electrical energy in a highly efficient manner and with low waste generation. Therefore they are likely to be one of the major energy devices in the future. However, for widespread use ofthe same, many studies are still needed in order to obtain good performances even at intermediate temperatures (600-800 °C), which would favor the price reduction and the extended life of these devices. For this reason, it becomes necessary to develop the constituents of this cell, regarding composition and morphology of these materials. In thisstudy, it is developed the functional cathode and the cathode collector (constituted by lanthanum strontium cobalt iron oxide) as well as one of the SOFC electrolytes (consisting of gadolinium doped ceria). The main objective was to develop the microstructure of these components; since the electrolyte should be dense while cathode collector should be porousand functional cathode must have intermediate porosity relative to adjacent layers. To achieve this microstructure, several variables in the production of ceramic materials were evaluated, such as particle size of powders, use of doping for favoring gadolinium doped ceria densification, viscosity of ceramic suspensions, use of pore-forming, the film deposition technique (screen printing or spray coating), parameters of the films deposition (such as speed, pressure, number of layers, mesh screen), type of heat treatment used, etc. Besides the morphological aspect, the electrochemical behavior was also evaluated, since it wishedto obtain materials that were good electrical conductors. The influence of the powder composition, doping, use of additives and sintering temperature on the conductivity of these materials was evaluated. The results show it is possible to obtain a dense gadolinium dopedceria electrolyte by spray when using doping with zinc and a sintering temperature of 1500 °C. Regarding the cathode collector, the graphite pore former made possible to obtain a porous structure and good conductivity with the use of composition La0,6Sr0,4Co0,8Fe0,2O3-,On the other hand, functional cathode proved to be effective when prepared in form of the composite La0,54Sr0,44Co0,2Fe0,8O3/ Gd0,2Ce0,8O2-d., and sintered at temperatures higher thanthe cathode collector