Propriedades elétricas e microestrutura de Céria dopada com Gd+3 e Y+3 para aplicação como eletrólitos em pilhas a combustível

Abstract

RESUMOFonte de Energia Alternativa, Renovável e Limpa é um tema cada vez mais presente no dia a dia da atual sociedade mundial. Pilhas a combustível surgem como uma opção real para tornar as fontes alternativas um dos principais modos de geração de energia em futuro próximo. Zircônia estabilizada com 8% mol de ítria (ZEI8) é o material mais utilizado como eletrólito em pilha a combustível de óxido sólido (PaCOS), por apresentar condutividade iônica e estabilidade química em atmosferas oxidante e redutora que permitem à pilha apresentar bom rendimento quando operando em torno de 1000ºC. Céria dopada com terras raras tem recebido atenção especial devido a sua elevada condutividade elétrica, o que possibilita uma temperatura de operação de PaCOS entre 500 e 800 °C. Neste trabalho, a condutividade elétrica de céria dopada com ítria e gadolínia é discutida em função das microestruturas obtidas em diferentes condições de sinterização. Resultados de zircônia estabilizada com 8 %mol de ítria, também, são apresentados com o objetivo de usá-los como uma referência. A condutividade elétrica do grão de céria dopada, individualmente, com 10 %mol Y 2 O 3 e 12,5 %mol Gd 2 O 3 é maior que da ZrO 2 dopada com 8 %mol Y 2 O 3 . Contudo, a condutividade do contorno de grão de céria dopada é muito sensível às condições de sinterização, especificamente, à temperatura e ao tempo de patamar, podendo ser mais do que uma ordem de grandeza inferior à condutividade do grão. A elevada sensibilidade da condutividade do contorno de grão de céria dopada com as condições de sinterização está relacionada com a formação e distribuição de segunda fase no contorno. A formação dessa fase depende do tipo de dopante sendo favorecida pela presença de Y 2 O 3 .Palavras-chaves: céria dopada, zircônia dopada com ítria, condutividade elétrica, microestrutura. Electrical properties and microstructure of Gd +3 and Y +3 doped ceria for application as electrolyte in fuel cells ABSTRACTClean renewable alternative energy source is a great issue of work nowadays. In a near future fuel cells will be the most promising answer of this issue. 8 mol% Yttria stabilized zirconia (8YSZ) is the most used material as electrolyte because of its ionic conduction and chemical stability under reducing and oxidant atmosphere, which allows that this device shows good efficiency at operating temperatures around 1000 ºC. Rare earth doped ceria has received special attention due to its high electrical conductivity that permits SOFC's to operate into a range of 500 to 800ºC. In this work Y doped ceria and Gd doped ceria electrical conduction are discussed as function of its microstructures obtained in different sintering conditions. 8YSZ results are also presented as reference. The grain electrical conductivity of rare earth doped ceria is bigger than 8YSZ. However, the grain boundary conductivity is mostly affected by the sintering conditions, specially sintering temperature and soaking time. It can be more than 1 order of magnitude smaller than grain conductivity. The grain bounda...

Eletrólitos de céria dopada com Gd2O3 para pilhas a combustível de óxido sólido

“…Como já foi mostrado no trabalho anterior [16] o espectro de impedância representativo do sistema ceria-gadolínio consiste de dois semicírculos em temperaturas inferiores a 300 ºC. O semicírculo de baixas freqüências é devido ao contorno de grão e o de altas freqüências ao grão.…”

Efeito de óxidos de níquel na sinterização de nanopartículas de óxido de cério dopado com samário (SDC) para aplicação em pilhas a combustível

“…Pilha a combustível é um dispositivo eletroquímico que realiza a conversão de energia gerada por uma reação química em energia elétrica, sendo um método limpo e altamente eficiente de geração de eletricidade e calor [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15]. Esses dispositivos, de geração de energia, apresentam vantagens frente a outros, além disso, os produtos gerados no seu funcionamento são menos poluentes.…”

“…No entanto, a alta temperatura de operação de uma pilha a combustível do tipo PaCOS, entre 800-1000 °C, dificulta seu emprego. Um aspecto abordado atualmente, consiste na diminuição da temperatura de operação da PaCOS proporcionando uma maior flexibilidade na escolha de materiais para montagem da pilha a combustível, o que diminuiria seu custo total [7][8][9][10][11][12][13][14][15][16]. O eletrólito sólido e o anodo do tipo cermet são componentes fundamentais de uma pilha a combustível do tipo PaCOS, nesses dois componentes a condutividade iônica é um dos parâmetro limitantes para a diminuição da temperatura de operação de uma pilha a combustível do tipo PaCOS.…”

“…O eletrólito sólido e o anodo do tipo cermet são componentes fundamentais de uma pilha a combustível do tipo PaCOS, nesses dois componentes a condutividade iônica é um dos parâmetro limitantes para a diminuição da temperatura de operação de uma pilha a combustível do tipo PaCOS. Sendo que, este parâmetro é fortemente dependente do tipo de condutor iônico utilizado e da qualidade de sua sinterização [6][7][8][9][10][11][12][13][14].…”

“…Os óxidos de cério dopado com samário (SDC) são altamente refratários, portanto, sinterizar esses materiais é uma tarefa desafiadora. As altas temperaturas utilizadas na sua sinterização, por volta de 1400 e 1600 °C, podem causar redução do Ce 4+ para Ce 3+ , resultando em cerâmicas com baixa estabilidade mecânica [1, [7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22].…”