A aplicação da metodologia de suporte de ânodo em células de óxido sólido consiste na prensagem uniaxial do eletrólito juntamente com o suporte de ânodo. Foram construídas amostras de células simétricas eletrodo-eletrólito-eletrodo. As amostras foram compactadas com o eletrólito ao meio e o suporte de ânodo em ambos os lados, sinterizadas, depositado o óxido de níquel (catalisador) nas superfícies de ambos os lados e as mesmas foram caracterizadas por difração de raio x e espectroscopia de impedância. As amostras foram divididas em duas categorias:
1- Suporte de ânodo constituído por pó de YSZ-11 após-síntese, sem tratamento térmico, rico em matéria orgânica atuando como formadora de poros após a sinterização.
2- Suporte de ânodo constituído por pó 80% em massa de YSZ-11 com tratamento térmico e moído, com uma mistura de 20% em massa de grafite atuando como formador de poros. Foram construídas amostras com variação em massa do suporte de ânodo com objetivo de caracterizar a variação de espessura e o impacto dessa variação de acordo com as análises de caracterização;
Em ambas as categorias de amostras estudadas, o eletrólito é constituído por 0,300g de pó de YSZ-11 passado por tratamento térmico e moagem. As células simétricas foram construídas com o eletrólito no centro e o suporte de ânodo depositado em ambos os lados. A deposição dos componentes em matriz cilíndrica para prensagem uniaxial seguiu a seguinte ordem: pó do suporte do ânodo, após o pó do eletrólito, e novamente o pó do suporte de ânodo. A figura 15 mostra o esquema de deposição do suporte de ânodo por prensagem.
Figura 15: Esquema de deposição dos componentes por prensagem uniaxial
A prensagem uniaxial dos componentes foi realizada em uma matriz cilíndrica de aproximadamente 10 mm de diâmetro, com pressão de 1,5 toneladas (187 MPa) durante 30 segundos.
Para facilitar a citação das amostras durante o trabalho foi construída a Tabela (4). O primeiro termo faz referência à forma do suporte de ânodo, onde ST representa a amostra da categoria 1, que o suporte de ânodo é composto por YSZ- 11 sem tratamento térmico (ST) após a síntese pelo método de Pechini e CT representa as amostras da categoria 2, onde suporte de ânodo é composto por YSZ- 11 com tratamento térmico (CT) e processo de moagem. O segundo termo em numeral faz referencia à quantidade em massa (g) do suporte de ânodo depositado em cada superfície do eletrólito (superior e inferior).
Tabela 4: Nomenclatura das amostras Categoria 1 Amostra Nomenclatura 1 ST-0,100 Categoria 2 1 CT-0,040 2 CT-0,064 3 CT-0,100
Para melhor compreensão das categorias e nomenclaturas citadas serão descritas a seguir a composição de cada amostra.
Da categoria 1:
Amostra ST-0,100: deposição na matriz cilindrica de 0,100g de suporte de ânodo, posterior deposição de 0,300g do pó de YSZ-11 compreendendo o eletrólito e mais 0,100g de suporte de ânodo.
Da categoria 2:
Amostra CT-0,040: deposição na matriz cilindrica de 0,040g de suporte de ânodo, posterior deposição de 0,300g do pó de YSZ-11 compreendendo o eletrólito e mais 0,040g de suporte de ânodo;
Amostra CT-0,064: deposição na matriz cilindrica de 0,064g de suporte de ânodo, posterior deposição de 0,300g do pó de YSZ-11 compreendendo o eletrólito e mais 0,064g de suporte de ânodo;
Amostra CT-0,100: deposição na matriz cilindrica de 0,100g de suporte de ânodo, posterior deposição de 0,300g do pó de YSZ-11 compreendendo o eletrólito e mais 0,100g de suporte de ânodo.
A metodologia de prensagem uniaxial descrita anteriormente foi aplicada nas amostras. A figura 16 mostra o aspecto da amostra ST-0,100 após a prensagem.
Figura 16: Amostra ST-0,100 compactada
Após compactação, os corpos de provas foram sinterizados seguindo o cronograma da figura 14. As amostras foram submetidas a 900ºC em uma taxa de aquecimento de 5ºC/min com patamar de 5 minutos nesta temperatura, após aquecimento até 1500ºC a uma taxa de 2ºC/min por duas horas e taxa de resfriamento de 10ºC/min até 40ºC. A figura 17 mostra o aspecto da amostra ST- 0,100 após a sinterização e a figura 18 mostra o aspecto da amostra CT-0,063.
Figura 18: Amostra YSZ-CT-0,063 após a sinterização
Pela figura 17 é possível visualizar que ao passar pela sinterização, ocorre a evaporação da matéria orgânica presente no material pré-calcinado da amostra ST- 0,100, porém, a mesma ficou com característica quebradiça e não ocorreu aderência ao eletrólito, assim, não atendendo aos requisitos para aplicação como suporte de ânodo de uma célula a combustível de óxido sólido. O resultado esperado era que o composto de YSZ com material orgânico quando submetido à sinterização evaporasse atuando como agente formador de poros.
Pela figura 18 é possível visualizar a olho nu na CT-0,063 que houve aderência do suporte de ânodo ao eletrólito sólido, onde o grafite atuou como agente formador de poros evaporando durante a sinterização, assim também ocorreu com as outras amostras da categoria 2. A aderência entre estes componentes foi garantida, pois tanto o eletrólito quanto o eletrodo têm a mesma composição e mesmo tipo de processamento. Como a amostra da categoria 1 não atingiu os resultados esperados, as análises seguiram com as amostras da categoria 2.
Após a sinterização das amostras foi realizada a deposição do material catalítico (óxido de níquel) em ambas as superfícies das mesmas da seguinte forma: - O óxido de níquel obtido pelo método de Pechini foi misturado ao etanol sob constante agitação e depositado gota a gota, em excesso, com uma micropipeta nas superfícies dos corpos de prova aquecidos a 80ºC para facilitar a evaporação do etanol à medida da deposição, figura 19:
Figura 19: Aspecto pós deposição do óxido de níquel
- O depósito do material catalítico foi realizado na proporção de 1 mg de óxido de níquel para cada face do corpo de prova, para isso foi retirado o excesso (figura 20) depositado nas superfícies de maneira controlada por uma balança. Os corpos de prova foram levados para cura a 400ºC por 3 horas e posteriormente foram caracterizados.
As amostras foram submetidas ao Principio de Arquimedes para realizar os cálculos da densidade aparente e porosidade, citados anteriormente. Para conhecer o comportamento elétrico das amostras, foi realizada a espectroscopia de impedância onde as amostras foram cobertas com uma fina camada de ouro, formando assim os contatos elétricos. Foram realizadas medições com variações de faixas de temperatura de 270ºC até 390ºC com variações de 30 em 30ºC.
Por fim, foi realizada a MEV no microscópio eletrônico de varredura de modelo JEOL JED-2300, do laboratório de engenharia mecânica da Universidade de Brasília.
4. RESULTADOS E DISCURSSÃO
Os resultados são divididos da seguinte maneira: análise da matéria prima da YSZ-11, análise dos copos de prova do eletrólito sólido de YSZ-11, análise do óxido de níquel, análise da aplicação da metodologia de suporte de eletrodos em células de óxido sólido.