Extension of electrochemically active sites in SOFCs and SOECs

Solid oxide fuel (SOFCs) and electrolyzer (SOECs) cells have been promoted as promising technologies for the stabilization of fuel supply and usage in future green energy systems. SOFCs are devices that produce electricity by the oxidation of hydrogen or hydrocarbon fuels with high efficiency. Conversely, SOECs can offer the reverse reaction, where synthetic fuels can be generated by the input of renewable electricity. Due to this similar but inverse nature of SOFCs and SOECs, these devices have traditionally been constructed from comparable materials. Nonetheless, several limitations have hindered the entry of SOFCs and SOECs into the marketplace. One of the most debilitating is associated with chemical interreactions between cell components that can lead to poor longevities at high working temperatures and/or depleted electrochemcial performance. Normally such interreactions are countered by the introduction of thin, purely ionic conducting, buffer layers between the electrode and electrolyte interface. The objective of this thesis is to assess if possible improvements in electrode kinetics can also be obtained by modifying the transport properties of these buffer layers by the introduction of multivalent cations. The introduction of minor electronic conductivity in the surface of the electrolyte material has previously been shown to radically enhance the electrochemically active area for oxygen exchange, reducing polarization resistance losses. Hence, the current thesis aims to extend this knowledge to tailor a bi-functional buffer layer that can prevent chemical interreaction while also enhancing electrode kinetics.The thesis selects a typical scenario of an yttria stabilized zirconia electrolyte combined with a lanthanide containing oxygen electrode. Gadolinium, terbium and praseodymium doped cerium oxide materials have been investigated as potential buffer layers. The mixed ionic electronic conducting (MIEC) properties of the doped-cerium materials have been analyzed and collated. A detailed analysis is further presented of the impact of the buffer layers on the kinetics of the oxygen electrode in SOFC and SOEC devices. Special focus is made to assess for potential links between the transport properties of the buffer layer and subsequent electrode performance. The work also evaluates the electrochemical performance of different K2NiF4 structure cathodes deposited onto a peak performing Pr doped-cerium buffer layer, the influence of buffer layer thickness and the Pr content of the ceria buffer layer. It is shown that dramatic increases in electrode performance can be obtained by the introduction of MIEC buffer layers, where the best performances are shown to be offered by buffer layers of highest ambipolar conductivity. These buffer layers are also shown to continue to offer the bifunctional role to protect from unwanted chemical interactions at the electrode/electrolyte interface.

Análise termoquímica de reformador de etanol: produção de hidrogênio para acionamento de uma célula combustível do tipo PEM de 1 KW

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Estudo e desenvolvimento de catalisadores para células a combustível visando o aumento de escala e avaliação da distribuição de corrente

O trabalho visa o desenvolvimento do sistema para medidas de distribuição de corrente e ampliação de escala (50 cm²) buscando aperfeiçoar as condições de preparação do conjunto eletrodo membrana (MEA) quanto às condições de operação da célula e avaliar a melhor geometria. Foram realizados estudos de síntese de catalisadores de Pt-M e avaliação do desempenho desses materias e das rotas de síntese utilizadas com objetivo de aplicar estes materias em sistemas de maior escala. A insuficiência do desempenho e estabilidade dos catalisadores são fatores que ainda inviabilizam o uso em larga escala das células a combustível de eletrólito polimérico sólido, destacando-se as perdas associadas ao desempenho do cátodo. Os catalisadores preparados foram nanopartículas bimetálicas PtM/C (M = Fe, Co e Ni) suportadas em carbono de elevada área superficial, por duas rotas sintéticas. Foram utilizadas as rotas: ácido fórmico e etilenoglicol modificado (EG). Em ambas as rotas se buscou catalisadores com alto grau de incorporação do segundo metal, tamanho de partícula pequeno e bom desempenho catalítico do cátodo. Observou-se que pela rota do ácido fórmico com modificações no processo de síntese é possível obter a incorporação nominal do segundo metal no catalisador, porém há desvantagem de o tamanho de partícula ser elevado. Pela rota do EG obteve-se catalisadores com pequeno tamanho de partícula, porém a incorporação do segundo metal mostrou-se ineficiente. Os estudos de ampliação de escala foram realizados em células de 50 cm2 variando-se as condições de operação; i) diferentes placas de distribuição de gás, e ii) diferentes valores de fluxo dos gases reagentes. Foi observado que a baixos fluxos de gases a quantidade de reagente é insuficiente para ser difundida por todo eletrodo, o que ocasiona reação apenas na região de entrada de gases no sistema, ocasionando uma rápida limitação em obter-se densidades de corrente alta. Pode-se observar que a diferença de desempenho entre as placas é pequena, porém a placa serpentina 6 apresentou melhor desempenho. O desempenho dos cátodos preparados com catalisadores comerciais e os sintetizados no laboratório nas células de 50 cm² mostrou sofrer bastante influência das condições de operação comparada com as células de 4,6 cm².

Materiales para su aplicación en celdas SOFCs

Poster presentado en la conferencia: XXXV Bienal de la Real Sociedad Española de Química (A Coruña, 19-23 de Julio de 2015)

Desarrollo de capas de contacto para su aplicación en SOFC

256 p.+anexos

Materiais à base de óxidos com estrutura do tipo perovskite e compósitos como ânodos de PCES

This work was focused on the analysis of transport, thermomechanical and electrochemical properties of a series of perovskite-like oxide materials and composites for potential applications as anodes of intermediate-temperature solid oxide fuel cells (SOFCs) with lanthanum gallate and silicate solid electrolytes. The primary attention was centered on A(Mn,Nb)O3-δ (A = Sr, Ca) and (La,Sr)(Mn,Ti)O3-based systems, lanthanum chromite substituted with acceptor-type and variable-valence cations, and various Ni-containing cermets. Emphasis was given to phase stability of the materials, their crystal structure, microstructure of porous electrode layers and dense ceramics, electronic conductivity, Seebeck coefficient, oxygen permeability, thermal and chemical induced expansion, and anodic overpotentials of the electrodes deposited onto (La,Sr)(Ga,Mg)O3- and La10(Si,Al)6O27- based electrolyte membranes. In selected cases, roles of oxygen diffusivity, states of the transition metal cations relevant for the electronic transport, catalytically active additives and doped ceria protective interlayers introduced in the model electrochemical cells were assessed. The correlations between transport properties of the electrode materials and electrochemical behavior of porous electrodes showed that the principal factors governing anode performance include, in particular, electronic conduction of the anode compositions and cation interdiffusion between the electrodes and solid electrolytes. The latter is critically important for the silicatebased electrolyte membranes, leading to substantially worse anode properties compared to the electrochemical cells with lanthanum gallate solid electrolyte. The results made it possible to select several anode compositions exhibiting lower area-specific electrode resistivity compared to known analogues, such as (La,Sr)(Cr,Mn)O3-δ.

Conversão de um veículo de combustão em veículo elétrico

Trabalho final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica Ramo Manutenção e Produção

A tração elétrica como alternativa para o transporte urbano

Este trabalho foi desenvolvido com a finalidade de reunir o conhecimento necessário para a aplicação da tração elétrica no transporte urbano e, desta maneira, auxiliar na diminuição dos impactos nocivos causados pelo homem ao meio ambiente. É sabido que 80% das emissões jogadas na atmosfera provém do escapamento de veículos equipados com motores de combustão interna. Estas emissões são responsáveis diretas pelo chamado efeito estufa que notoriamente tem causado alterações climáticas indesejadas em nosso planeta. Segundo especialistas, estas alterações no clima já estão ocasionando quebras na produção agrícola, doenças respiratórias e outros problemas sociais. Visando minimizar estes danos ao ambiente, várias empresas já concluíram que faz-se necessário desenvolver uma tecnologia para tornar nossos veículos menos poluentes. Uma das tecnologias pesquisadas e que mais tem prosperado ultimamente é a da célula de combustível. Independentemente da tecnologia a ser adotada, já é consenso entre os pesquisadores e engenheiros que a tração elétrica será o sistema adotado nos futuros veículos. Seja movido à célula de combustível, baterias ou outro meio, o motor elétrico será o componente principal do veículo do futuro. É imperativo que a tecnologia da tração elétrica seja dominada de maneira a permitir que países em desenvolvimento também possam projetar veículos limpos e assim participar do esforço mundial por um futuro livre do efeito estufa Vários países já exploram as vantagens do veículo elétrico. Pode-se encontrar disponíveis comercialmente opções variadas que vão desde motonetas até caminhões e ônibus elétricos. Ainda assim o veículo elétrico não apresenta um preço compatível com a renda da maioria dos habitantes de países em desenvolvimento. Como alternativa a este problema pode-se adotar o processo em que um veículo convencional equipado com motor de combustão interna é convertido para operar através da tração elétrica. Este processo requer um conhecimento específico já que exige habilidade para especificar a potência nominal do motor (e conseqüentemente a faixa de torque em que este operará) e a capacidade do banco de baterias para que se possa atingir a autonomia desejada para o veículo. Para tal fim, o trabalho descreve e valida, através de experimentação, o método proposto pela Bosch para a determinação dos coeficientes de arrasto aerodinâmico e de rolamento. De posse destes coeficientes é possível especificar o motor e baterias a serem utilizados na conversão. Este trabalho demonstra ainda que o veículo elétrico proporciona mais economia em relação ao veículo convencional ao mesmo tempo que ajuda a reduzir drasticamente a emissão de gases geradores do efeito estufa.

Síntese, estudo cinético e análise microestrutural do sistema cério-níquel obtido pelo método pechini

The cerium oxide has a high potential for use in removing pollutants after combustion, removal of organic matter in waste water and the fuel-cell technology. The nickel oxide is an attractive material due to its excellent chemical stability and their optical properties, electrical and magnetic. In this work, CeO2-NiO- systems on molars reasons 1:1(I), 1:2(II) e 1:3(III) metal-citric acid were synthesized using the Pechini method. We used techniques of TG / DTG and ATD to monitor the degradation process of organic matter to the formation of the oxide. By thermogravimetric analysis and applying the dynamic method proposed by Coats-Redfern, it was possible to study the reactions of thermal decomposition in order to propose the possible mechanism by which the reaction takes place, as well as the determination of kinetic parameters as activation energy, Ea, pre-exponential factor and parameters of activation. It was observed that both variables exert a significant influence on the formation of complex polymeric precursor. The model that best fitted the experimental data in the dynamic mode was R3, which consists of nuclear growth, which formed the nuclei grow to a continuous reaction interface, it proposes a spherical symmetry (order 2 / 3). The values of enthalpy of activation of the system showed that the reaction in the state of transition is exothermic. The variables of composition, together with the variable temperature of calcination were studied by different techniques such as XRD, IV and SEM. Also a study was conducted microstructure by the Rietveld method, the calculation routine was developed to run the package program FullProf Suite, and analyzed by pseudo-Voigt function. It was found that the molar ratio of variable metal-citric acid in the system CeO2-NiO (I), (II), (III) has strong influence on the microstructural properties, size of crystallites and microstrain network, and can be used to control these properties

Estudo da adsorção e oxidação do monóxido de carbono sobre as fases intermetálicas ordenadas Pt-M(M = Mn, Pb, Sb e Sn)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Síntese, caracterização e avaliação eletroquímica de nanopartículas intermetálicas ordenadas PtSb e PtSn

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC

Análise técnica e econômica de um reformador de etanol para produção de hidrogênio

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estudo da reação de oxidação de metanol sobre fases intermetálicas ordenadas de AuIn, AuSn e AuSb2 em meio alcalino

The present work assessment materials can be used as fuel cells electrocatalysts. The alkaline fuel cell though was less studied, has some advantages compared to the acid configuration. The materials assesment were Au polycrystalline and intermetallics ordered phases of AuIn, AuSn and AuSb2. Your electrocatalytic properties were studied across cyclic voltametry and chronoamperometry techniques in Sodium Hydroxide 0,15M and Metanol 0,15M solution. The results obtained show a more efficiency to intermetallic AuIn as electrocatalyst for the oxidation reaction of methanol in alkaline medium, it showed high levels of current density and on set potential less positive compared to Au polycrystalline. The intermetallic AuSn showed activity just higher concentrations of methanol. Except AuSb2, who represented himself unstable in alkaline media, the intermetallics AuIn and AuSn present a promising future as anode materials for the oxidation in alkaline medium

Compósitos NiO-CGO obtidos pelo método de síntese em uma etapa

Composite NiO-C0.9Gd0.1O1.95 (NiO-GDC), one of the materials most used for the manufacture of anodes of Cells Solid Oxide Fuel (SOFC) currently, were obtained by a chemical route which consists in mixing the precursor solution of NiO and CGO phases obtained previously by the Pechini method. The nanopowders as-obtained were characterized by thermal analysis techniques (thermogravimetry and Differential Scanning Calorimetry) and calcined materials were evaluated by X-ray diffraction (XRD). Samples sintered between 1400 and 1500 ° C for 4 h were characterized by Archimedes method. The effects of the composition on the microstructure and electrical properties (conductivity and activation energy) of the composites sintered at 1500 ° C were investigated by electron microscopy and impedance spectroscopy (between 300 and 650 ° C in air). The refinement of the XRD data indicated that the powders are ultrafine and the crystallite size of the CGO phase decreases with increasing content of NiO. Similarly, the crystallite of the NiO phase tends to decrease with increasing concentration of CGO, especially above 50 wt % CGO. Analysis by Archimedes shows a variation in relative density due to the NiO content. Densities above 95% were obtained in samples containing from 50 wt % NiO and sintered between 1450 and 1500 °C. The results of microscopy and impedance spectroscopy indicate that from 30-40 wt.% NiO there is an increase in the number of contacts NiO - NiO, activating the electronic conduction mechanism which governs the process of conducting at low temperatures (300 - 500 °C). On the other hand, with increasing the measuring temperature the mobility of oxygen vacancies becomes larger than that of the electronic holes of NiO, as a result, the high temperature conductivity (500-650 ° C) in composites containing up to 30-40 wt.% of NiO is lower than that of CGO. Variations in activation energy confirm change of conduction mechanism with the increase of the NiO content. The composite containing 50 wt. % of each phase shows conductivity of 19 mS/cm at 650 °C (slightly higher than 13 mS/cm found for CGO) and activation energy of 0.49 eV.

Celdas de pilas de oxidó solido, avance en el procesado de materiales

Póster presentado en el XIV Congreso Nacional de Materiales (CNMAT) en Gijón (España), del 8 al 10 de Junio de 2016