Otimização de anodos eletrocatalíticos para reforma interna de etanol em pilhas a combustível de óxido sólido

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Tese de doutorado

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Rodrigo Lassarote Lavall
Vanessa de Freitas Cunha Lins
Vivian Vazquez Thyssen
Selma Aparecida Venâncio

Resumo

Neste trabalho, foram fabricadas e avaliadas pilhas a combustível de óxido sólido (PaCOS) com diferentes suportes (anodo NiO/YSZ e eletrólito YSZ), utilizando pós de NiO e YSZ, e pastas de CGO/Co e LSCF para otimizar os filmes de eletrólito e eletrodo. Visando a reforma interna de etanol no anodo, um catalisador de óxido de tungstênio (WO3) foi testado em pilhas planas circulares (50 mm de diâmetro, ~0,23 mm de espessura) constituídas por uma camada catódica, duas camadas de eletrólito e três camadas anódicas (suporte, funcional e catalítica). A caracterização físico-química dos materiais foi realizada por difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura, e o desempenho eletroquímico foi avaliado por espectroscopia de impedância eletroquímica e voltametria linear a 740 °C. A pilhas completa com anodo suporte e catalisador de WO3 apresentou desempenho superior na reforma direta de etanol (33% v/v em água), demonstrando baixa resistência de polarização (1,05 ohm.cm⁻²), densidade de corrente de 0,66 A.cm⁻² e densidade de potência máxima de 258 mW.cm⁻². Em comparação, a pilha com anodo suporte sem catalisador, utilizando hidrogênio, exibiu resistência de polarização de 1,389 ohm.cm⁻², densidade de corrente de 0,287 A.cm⁻² e densidade de potência máxima de 135 mW.cm⁻². A pilha com suporte de eletrólito, utilizando etanol como combustível e catalisador de WO3, apresentou resistência de polarização de 17,97 ohm.cm⁻², densidade de corrente de 0,29 A.cm⁻² e densidade de potência máxima de 127 mW.cm⁻² a 740 °C. Em contraste, a pilha com suporte de eletrólito sem catalisador, operando com hidrogênio, demonstrou resistência de polarização de 7,22 ohm.cm⁻², densidade de corrente de 0,122 A.cm⁻² e densidade de potência máxima de 58 mW.cm⁻². Os resultados apontam um bom desempenho eletroquímico e uma atividade catalítica promissora do WO3 para reforma direta do etanol. O desempenho poderá ser melhorado com a otimização da espessura dos filmes e da concentração de tungstênio no anodo.

Abstract

In this work, solid oxide fuel cells (SOFCs) with different supports (NiO/YSZ anode and YSZ electrolyte) were fabricated and evaluated using NiO and YSZ powders, and CGO/Co and LSCF pastes to optimize the electrolyte and electrode films. Aiming at the internal reforming of ethanol at the anode, a tungsten oxide (WO3) catalyst was tested in circular planar cells (50 mm in diameter, ~0.23 mm in thickness) consisting of a cathode layer, two electrolyte layers, and three anode layers (support, functional, and catalytic). The physicochemical characterization of the materials was performed by X-ray diffraction and scanning electron microscopy, and the electrochemical performance was evaluated by electrochemical impedance spectroscopy and linear voltammetry at 740 °C. The complete cell with anode support and WO3 catalyst showed superior performance in the direct reforming of ethanol (33% v/v in water), demonstrating low polarization resistance (1.05 ohm.cm⁻²), current density of 0.66 A.cm⁻² and maximum power density of 258 mW.cm⁻². In comparison, the cell with anode support without catalyst, using hydrogen, exhibited polarization resistance of 1.389 ohm.cm⁻², current density of 0.287 A.cm⁻² and maximum power density of 135 mW.cm⁻². The electrolyte-supported cell, using ethanol as fuel and WO3 catalyst, showed a polarization resistance of 17.97 ohm.cm⁻², a current density of 0.29 A.cm⁻² and a maximum power density of 127 mW.cm⁻² at 740 °C. In contrast, the electrolyte-supported cell without catalyst, operating with hydrogen, demonstrated a polarization resistance of 7.22 ohm.cm⁻², a current density of 0.122 A.cm⁻² and a maximum power density of 58 mW.cm⁻². The results indicate good electrochemical performance and a promising catalytic activity of WO3 for direct reforming of ethanol. The performance can be improved by optimizing the film thickness and the tungsten concentration in the anode.

Assunto

Físico-química, Células à combustível, Catalisadores, Óxidos, Tungstênio, Microscopia eletrônica de varredura, Eletroquímica, Espectroscopia de impedância, Voltametria, Raios X – Difração, Fluorescência de raio X

Palavras-chave

PaCOS, Anodo catalítico, Catalisador, Óxido de tungstênio, Reforma do etanol

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