Selantes vitrocerâmicos para células a combustível de óxido sólido

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2010As células a combustível (CaC) são uma das mais promissoras alternativas de geração de energia do futuro pela habilidade de conversão de energia química em energia elétrica de forma direta e eficiente. As células a combustível de óxido sólido (SOFC) destacam-se perante os outros tipos de CaC existentes por sua alta eficiência elétrica, 50-85%, alta temperatura de operação, 600-1000°C, versatilidade no uso de combustíveis, geração de energia distribuída e baixas ou nulas emissões de poluentes. Os selantes são materiais isolantes diretamente em contato com os eletrodos e os interconectores das SOFC que fornecem hermeticidade e apoio mecânico às células. Normalmente os selantes são feitos de vidro ou vitrocerâmicos, que podem acomodar tensões interfaciais com o metal interconector por fluxo viscoso que ocorre acima da temperatura de transição vítrea (Tg). Portanto, a combinação do comportamento de densificação do selante, da compatibilidade química e termomecância com o metal interconector e de suas propriedades dielétricas são aspectos primordiais para o seu desenvolvimento. Este estudo objetivou o desenvolvimento de selantes vitrocerâmicos do sistema LZSA (Li2O-ZrO2-SiO2-Al2O3) para SOFC planar processados por colagem de fitas. A partir de um delineamento experimental considerando o efeito de três parâmetros: teor de sólidos e ligante nas suspensões, e tempo de moagem, suspensões otimizadas foram processadas por colagem de fitas. Corpos de prova cilíndricos (pastilhas) do pó vítreo precursor foram produzidos e tratados em diferentes temperaturas (700-950°C) para o estudo da densificação, cristalização e propriedades dielétricas. Amostras multicamadas de fitas de selante e amostras bicamadas selante-interconector foram produzidas e tratadas entre 750 e 900°C a fim de avaliar a densificação do material e compatibilidade com o metal interconector. Para uma composição de 50%m de sólidos, 20%m de ligante e tempo de moagem de 24h num primeiro estágio e 18h num segundo estágio, os resultados mostraram densificação máxima de 95,2% do selante numa faixa de 700 à 800°C, microestrutura refinada e homogênea e ótima aderência com o metal interconector quando processados a 800°C por 60minutos

Desenvolvimento de membranas suportadas de BSCF para separação de oxigênio

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2014.Este trabalho mostra a influência da porosidade do suporte poroso no fluxo de oxigênio de membranas suportadas de composição Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-? (BSCF) utilizadas para separação de oxigênio do ar. Por meio de um modelamento, é mostrada uma prova do efeito de poros não-conectados e relações importantes para os fluxos de oxigênio. Assim, existe uma hipótese e uma forte prova da hipótese. Para essa pesquisa foram produzidas e caracterizadas membranas densas, suportes porosos e membranas suportadas do sistema BSCF de estrutura perovskita. As membranas densas, bem como os suportes porosos, foram produzidos por prensagem uniaxial e co-sinterização. Os suportes porosos foram produzidos utilizando dois diferentes agentes formadores de poros: copolímero em bloco de polioxietileno-polioxipropileno e carbono ativado. Camadas porosas de ativação utilizando carbono ativado como formador de poros também foram produzidas e depositadas sobre as membranas BSCF. Foi encontrado que o copolímero gera uma porosidade não interconectada, prejudicando o desempenho das membranas mais finas depositadas sobre o suporte. A limitação exercida pelo suporte reduziu o fluxo de oxigênio em torno de 30%, o que coincidiu com a redução na condutividade elétrica entre a membrana densa e o suporte (33%) e com o valor da porosidade (35%). Um modelo matemático foi proposto para explicar o transporte de oxigênio por meio do suporte de porosidade não conectada, o qual coincidiu com os resultados experimentais, relacionando a dependência do fluxo com a geometria dos poros, a espessura do suporte e a temperatura. Foi também observado que o carbono ativado gera uma porosidade interconectada, mas não homogênea em toda sua estrutura. As camadas de ativação auxiliaram no aumento significativo do fluxo de oxigênio e, por fim, foi observado que o novo suporte ainda exerceu uma influência negativa no fluxo total de oxigênio, no entanto, de 17% contra aproximadamente 30% em relação ao suporte poroso produzido anteriormente. As membranas densas, os suportes porosos e as membranas suportadas foram também avaliadas sob ensaios de microdureza. Foi observada a forte influência da porosidade nos resultados. Positivamente, foi observado que o ensaio não danificou as membranas assimétricas, mostrando a boa integridade das mesmas, as quais apresentaram valores similares de microdureza àqueles observados nas membranas densas.Abstract : This work shows the porosity influence of the porous support in the oxygen flux of supported Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-? (BSCF) membranes composition for oxygen separation from air. Considering a modeling, it is shown a proof of the effect of non-connected pores and important relations to oxygen fluxes. Hence, there is a hypothesis and a strong proof of the hypothesis. For this research, dense membranes, porous supports and supported membranes of BSCF system and perovskite structure were produced and characterized. Dense membranes as well as porous supports were produced by dry pressing and co-firing. The porous substrates were fabricated using two different pore forming agents polyoxyethylene-polyoxypropylene block copolymer and activated carbon. Porous activation layers using activated carbon as pore former were also produced and coated on BSCF membranes. It was found that the copolymer generates a non-interconnected porosity, which impairs the performance of the thinner membranes on porous substrates in relation to the oxygen flux. The limitation exerted by the porous support reduced the oxygen flux by 30 %, which matched well with the reduction in electrical conductivity between the dense membrane and support (33 %) and the porosity (35 %). A mathematical model was proposed to explain the transport of oxygen through the non-connected pores, which matched well with the experimental results, by relating the dependence of the overall oxygen flux with the geometry of the pores, the support thickness and the temperature. It was also observed that the activated carbon creates an interconnected porosity, although not homogeneous throughout its structure. The activation layers assisted in a significant increase of oxygen flux and finally, it was also observed that the new support still exerted a negative influence on the oxygen flux, however, 17 %, against approximately 30% compared to the previously produced porous support. Dense membranes, porous substrates and supported membranes were also evaluated under micro hardness tests. It was observed the strong influence of the porosity in the results. Positively, it was observed that the test did not compromise the integrity of the asymmetric membranes, showing good integrity of those, which have presented similar micro hardness values to those observed for the dense membranes

Development of Alternative Glass Ceramic Seal for a Planar Solid Oxide Fuel Cell

LZSA glass ceramic (LiO2-ZrO2-SiO2-Al2O3) was tested for its thermomechanical compatibility as a sealing material with a stainless steel interconnect (AISI 430) of a planar SOFC. With this purpose, the densification and crystallization behavior of LZSA were investigated initially. It was observed that the material reached maximum relative density and shrinkage, respectively 95% and 17%, at 800°C, which corresponded approximately to the crystallization temperature of the material as evidenced by DTA analysis. In the next step, LZSA tapes were cast from slurries and prepared either as LZSA laminates or LZSA-steel bilayers. The densification behavior and microstructural features of cofired LZSA laminates and LZSA-steel bilayers were analyzed at 800 and 900°C. Maximum relative density and defect-free interfaces were observed for laminates and bi-layers cofired at 800°C, whereas increased porosity and detached bi-layer were the characteristics of the samples fired at 900°C

The effect of non-ionic porous domains on supported Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ membranes for O2 separation

This work investigates the effect of porosity on the performance of Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF) membranes for oxygen separation from air. BSCF membranes were sintered as thin dense layers on porous substrate by dry pressing followed by co-firing. The porous substrate was prepared by an optimised mixture of BSCF and 30wt% porogens (Pluronic® F-68) where the porous substrate and dense layer integrity matched well and delivered mechanically stable membranes. The crystal lattice of both BSCF dense layer and porous substrate were essentially the same as verified by X-ray diffraction and oxygen stoichiometry measurements. Pure dense membranes always delivered higher oxygen fluxes than the membranes prepared on porous substrates. Interestingly, the oxygen fluxes at 850°C reduced by 33% due to the porous substrate, and this value correlated well with porosity (35%) and the decreased conductivity (30%). Further, the oxygen flux increased each time that the thickness of the porous substrate was reduced. The pores in the porous substrates were found to have no interconnection. Consequently, this created occlusions of non-ionic domains and resulted in reduced electrical conductivity and oxygen fluxes. Nevertheless, the variations in oxygen fluxes for the porous supported membranes followed geometrical relations associated with porosity and thickness of the porous substrate

The influence of TiO2 and ZnO powder mixtures on photocatalytic activity and rheological behavior of cement pastes

The photocatalytic activity of titania nano/microparticles (nT and mT) and zinc oxide microparticles (mZ) as well as the rheological behavior of cement pastes with the addition of those particles were evaluated applying design of experiments (DoE). Such additives ranged from 0 to 1.2 wt.% in the cement paste, while the water/cement ratio (0.45) and superplasticizer (0.45 wt.%) remained invariable. Thus, pure blends and binary or ternary mixtures were studied. Pure blends containing nT or mT and ternary mixtures 0.67mT:0.17nT:0.17mZ reached the best and comparable performances in terms of photocatalytic activity. The theological parameters (plastic viscosity and yield stress) values changed along time in distinct levels described by a quadratic model. Samples with nT became less fluid, and the yield stress was the main rheological parameter affected. The kinetics of hydration was not significantly affected by additions up to 120 min testing, but showed noticeable distinctions for longer periods: mZ (delayed) and nT (shortened), while mT required about the same time to reach the maximum exothermic peak than reference paste. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved

Current developments of mixed conducting membranes on porous substrates

The fabrication of mixed ionic-electronic conducting (MIEC) ceramic-based membranes for oxygen separation has extensively increased in the last three decades as a promising alternative of clean energy delivery. In recent years, the interest on supported MIEC membranes has increased due to their attractive properties such as higher mechanical strength and oxygen flux compared to self-supported membranes. This work presents a literature review on the development of supported MIEC membranes of perovskite structure. The concepts and transport mechanism of those membranes are explained and recent works on supported MIEC membranes are presented. Finally, manufacturing methods of self-supported membranes and their influence on oxygen permeation are discussed