Development of ceramic protonic conductors for solid oxide fuel cells operation under methane and hydrogen fuels

Eletrólitos sólidos cerâmicos de zirconato de bário dopado com ítrio foram preparados por meio de mistura de óxidos de bário, de zircônio e de ítrio seguida de tratamento térmico. Foram também preparados compostos segundo uma rota alternativa, baseada na adição de óxido de bário a zircônia estabilizada com ítria. As composições preparadas foram BaZr0,92Y0,08O3- e BaZr0,85Y0,15O3-. Os materiais de partida foram analisados por difração de raios X (fases cristalinas) e espalhamento laser (distribuição de tamanho de partículas). Análise térmica simultânea (termogravimétrica e térmica diferencial) foi feita para o estudo do comportamento térmico durante a formação dos compostos. Pós compactados foram sinterizados e caracterizados por meio de determinação de a) densidade aparente pelo método de Arquimedes com querosene como meio líquido, b) fases cristalinas por difração de raios X, e c) morfologia por microscopia eletrônica de varredura de superfícies de fratura. Melhor densificação foi obtida para o composto BaZr0,92Y0,08O3-. Células eletroquímicas planares unitárias do tipo (Pt)/condutor protônico/catodo (Pt ou La0,6Ca0,4Fe0,8Co0,2O3-) foram montadas para avaliação de potenciais de circuito aberto na faixa de temperaturas 300-600 C, potencial sob solicitação de carga a 600 C, ambos sob metano e hidrogênio e medidas elétricas de espectroscopia de impedância a 600 C. O composto La0,6Ca0,4Fe0,8Co0,2O3- foi preparado por mistura dos óxidos de lantânio, de ferro de cobalto e carbonato de cálcio, em seguida sinterizados. As células eletroquímicas com condutores protônicos BaZr0,8Y0,2O3- apresentaram os maiores valores de potencial de circuito aberto e de densidade de corrente sob metano.Yttrium-doped barium zirconate ceramic solid electrolytes were prepared by mixing and heat treating barium, zirconium and yttrium oxides. An alternative route, based on the addition of barium to yttria-stabilized zirconia, was also followed. The compositions studied were BaZr0.92Y0.08O3- and BaZr0.85Y0.15O3-. The starting materials were analyzed by X-ray diffraction (crystalline phases) and laser scattering (distribution of particle size). Simultaneous thermogravimetric and differential thermal analyses were performed for the study of the thermal behavior during the formation of the compounds. Pressed powders were sintered and characterized by determining a) apparent density by the Archimedes method with kerosene as liquid medium, b) crystalline phases by X-ray diffraction, c) morphology by scanning electron microscopy of fracture surfaces. Densification was best achieved for BaZr0.92Y0.08O3-. Unitary planar electrochemical cells of the type anode (Pt)/protonic conductor/cathode (Pt or La0.6Ca0.4Fe0.8Co0.2O3-) were assembled for evaluation of open circuit voltage (OCV) in the 300-600 C range, current density at 600 ºC, both under methane and hydrogen and electrical measures of impedance spectroscopy at 600 ºC. The La0.6Ca0.4Fe0.8Co0.2O3- (LCFC) compound was prepared by mixing lanthanum oxide, iron oxide, cobalt oxide and calcium carbonate and sintering. The electrochemical cells with BaZr0.8Y0.2O3- protonic conductors showed the highest OCV and current density values under methane. Keywords: protonic conductor, barium zirconate, methane