Solid oxide fuel cells processed by aqueous tape casting and constrained calendering

Abstract

Neste trabalho uma célula SOFC suportada no eletrólito de zircônia estabilizada com ítria (YSZ) foi produzida mediante a combinação de três diferentes técnicas de processamento: (1) colagem de fita (tape casting) em meio aquoso, (2) calandragem restrita (constrained calendering) e (3) serigrafia (screen printing). Tape casting aquoso foi usado para produzir fitas de zirconia estabilizada com itria para células a combustível de óxido sólido suportadas no eletrólito (SOFC). Foi encontrado que o ligante acrílico é mais apropriado para o processamento coloidal por tape casting. As suspensões com ligante acrílico apresentaram comportamento pseudoplástico, desejável para tape casting e permaneceram estáveis por longos períodos de tempo. Com as suspensões com 25% em massa de ligante foram produzidas fitas que apresentaram uma flexibilidade adequada e uma superfície homogênea, livre de rachaduras e outro defeitos, com espessuras variando entre 90 e 200 µm. Os laminados mostraram maior resistência à tração 1.56±0.02 MPa em comparação as fitas individuais, mas apresentou menor elongação a ruptura. Três métodos de laminação foram investigados: termoprensagem, calandragem e calandragem restrita entre duas placas metálicas. Laminados a verde com espessuras entre 180 e 250 µm foram obtidas. As amostras laminadas por calandragem restrita apresentaram 20% de redução da espessura após a sinterização. Em todos os casos, as densidades dos laminados sinterizados variaram entre 95% e 99% da densidade teórica. Os eletrólitos laminados por calandragem restrita atingiram uma resistência a fratura de ~1,2 GPa medida pelo método B3B. As suspensões do catodo e do anodo apresentaram viscosidades entre 70 e 90 mPa s a uma taxa de cisalhamento de 100 s-1. O anodo e o catodo foram depositados na superfície do eletrólito e apresentaram espessuras de ~40, ~14 e 200 µm, respectivamente. Após a sinterização não foi observada delaminação entre as camadas. Foi realizada uma co-sinterização com a utilização de pesos sobre as células, que permitiu produzir SOFC planas. A porosidade do anodo aumentou após a redução, apresentando um valor de 53%. O desempenho eletroquímico foi avaliado em uma configuração sem câmera com chama direta. A célula mostrou uma voltagem de circuito aberto de 0,72 V e uma densidade de potencia máxima de 1,95 mW/cm2. Nenhum dano estrutural foi observado após o teste, mostrando uma boa estabilidade mecânica com as mudanças <br>

Abstract: In this work yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte-supported SOFCs were produced combining three different techniques: (1) aqueous tape casting, (2) constrained calendering and (3) screen printing. Aqueous tape casting was used to produce yttria-stabilized zirconia films for electrolyte-supported solid oxide fuel cell (SOFC). It was found that an acrylic binder is more appropriate for colloidal processing. The acrylic-based suspensions showed a pseudoplastic behavior, which is desired for tape casting, and remained stable after hours. Slurries with 25% wt. binder produced tape that exhibited adequate flexibility and a smooth and homogeneous surface, free of cracks and other defects, with thicknesses between 90 and 200 µm were produced. Laminates showed high tensile strength 1.56±0.02 MPa compared with single tapes, but also presented lower elongation to strain. Three lamination methods were investigated: warm pressing, free calendering or constrained calendering between two metal plates. Green laminates with thicknesses between 180 and 250 µm were obtained. Samples laminated by constrained calendering showed a 20% thickness reduction after sintering. In all cases, densities of the sintered laminates varied between 95% and 99% of the theoretical density. Electrolytes laminated by constrained calendering reached a fracture strength of ?1.2 GPa measured by ball-on-three-ball method. Rheological behavior of the anode and cathode slurries was evaluated. Slurries presented viscosities between 70 and 90 mPa s at shear rate of 100 s-1 were obtained. Anode and cathode were printed on the calendered electrolyte, and showed thicknesses of ~40 µm, ~14 µm and 200 µm respectively. After sintering no delamination was observed. Constrained sintering with load over the cells was used to sinter the half cell, which allowed producing flat SOFC. Anode porosity increased after reduction, presenting a value of 53%. Electrochemical performance was evaluated in a no-chamber direct flame set-up. Cell exhibited an open circuit voltage of 0.72 V and maximum power density of 1.95 mW/cm2. No structural damage was observed after testing, showing a good mechanical stability to changes.