Studies of ethanol oxidation reaction over SOFC anodes

Células a combustível de óxido sólido (SOFC) produzem energia elétrica em elevadas temperaturas e, devido a isto, não necessitam da utilização de metais nobres para a promoção das reações eletródica em seus eletrodos. Entretanto, independentemente deste fato, quando biocombustíveis são utilizados diretamente há a formação de carbono nos eletrodos, o que promove a rápida degradação do dispositivo. Neste trabalho são preparados e estudados catalisadores anódicos baseados em níquel e num segundo metal para utilização como pré-camada anódica em células a combustível SOFC operando a 800 °C visando-se mitigar os efeitos da formação de carbono, aumentar o desempenho e prolongar a vida útil do dispositivo em operação com biocombustíveis, especialmente o etanol. Foram estudados os metais Co, Cu, Ru, Pd, Rh, e Ba. Os materiais foram caracterizados fisicamente para se estabelecer as suas estruturas cristalográficas bem como composição e morfologia. Estudou-se também o desempenho eletroquímico através do levantamento de curvas de polarização em estado estacionário, espectroscopia de impedância eletroquímica e cronoamperometria. Por fim, utilizou-se a técnica de espectrometria de massas para identificação de produtos reacionais. Da maneira como utilizadas, as camadas préanódicas atuaram como um filtro catalítico, promovendo reações de reforma e entregando ao ânodo um combustível com menor teor carbonáceo. Desta maneira todos os materiais mostraram-se em certa extensão capazes de promover a operação de células SOFC com etanol. Observou-se também atividade catalítica para outros combustíveis, sendo possível até mesmo a operação com metano e propano. Para fins deste estudo, o material que demonstrou melhor comportamento ante a operação com etanol tratou-se do NiRu, sendo alcançadas densidades de potência próximas a 0,9 W cm-2 a 500 mV. Em teste de durabilidade observou-se que a célula contendo este material operou por 150 h ininterruptas, ante 15 minutos possíveis para a célula sem proteção.Solid Oxide Fuel Cells produce electrical energy at high temperatures without the need of noble metals. However, when a biofuel is directly used, carbon formation takes place, also known as \"coking\", which promotes rapid system degradation. In this work, bimetallic nickel based anodic catalysts are prepared and studied as anode prelayers for SOFC working at 800 °C fed with ethanol. The aims are to mitigate the effects of coking, improve the cell performance and extend the life usage of these devices when operating with biofuels, specially ethanol. As second metals Co, Cu, Ru, Pd, Rh and Ba were studied. The catalysts were physically characterized to establish their crystal structures as well as their chemical composition, and morphology. Electrochemical performance was studied using steady state olarization curves, electrochemical impedance spectroscopy and chronoamperometry for lifetime tests. Mass spectrometry was used in order to identify reactional products. In the way they were conceived and used, the anodic pre-layers worked as catalytic filters, promoting reforming reactions, delivering to anode surface a fuel with lower carbon content. All the studied materials showed in some extent activity for SOFC operating with biofuels, even making possible the operations with methane and propane. In the studies, NiRu material showed the best performance when operating with ethanol, reaching power densities as high as 0,9 W cm-2 at 500 mV. Endurance test made with this material showed that by using the NiRu based anode pre-layer fed with ethanol, under different load conditions, it is possible to operate the SOFC for about 150 h without interruption, versus 15 minutes for the uncovered anode