YSZ/NiO membranes manufactured by aqueous tape casting and freeze drying

Abstract

Resumo: O presente trabalho tem como objetivo desenvolver, investigar e caracterizar uma rota de processamento para a fabricação de componentes de SOFC suportadas no ânodo, especialmente o eletrólito, o ânodo funcional e o ânodo estrutural. Combinando colagem de fita aquosa e liofilização, foi possível obter fitas verdes finas e flexíveis e, ao mesmo tempo, gerar poros altamente direcionados nos ânodos estruturais. Também foram testadas diferentes técnicas de colagem, como impressão em tela e colagem manual de fitas. As suspensões foram avaliadas por seu comportamento reológico, comparando os efeitos da variação da composição, chegando a um comportamento pseudoplástico. A liofilização foi realizada com o auxílio de nitrogênio líquido para promover o congelamento rápido. No entanto, a velocidade de congelamento foi tão alta que os poros direcionais não se formaram perfeitamente. Uma condição de congelamento diferente também foi testada, com uma velocidade de congelamento menor, o que proporcionou um resultado melhor. As fitas verdes foram avaliadas por seus aspectos morfológicos, com o objetivo de obter fitas flexíveis, resistentes e sem defeitos. Uma nova técnica de delaminação foi desenvolvida para separar as fitas do filme de suporte, usando ácido esteárico. Como resultado, as fitas foram removidas com muito mais facilidade, em comparação com o uso de spray de silicone. As fitas foram unidas por montagem a vácuo, o que proporcionou uma boa união, dispensando, assim, o uso de técnicas de laminação. Por fim, as fitas montadas tiveram seu material orgânico removido e foram sinterizadas por meio de uma técnica de contenção, o que levou à sua quebra. Foram feitas imagens de MEV para avaliar a morfologia dos poros, a qualidade da montagem e a espessura das fitas. Para obter uma das matérias-primas para a fabricação do ânodo, o óxido de níquel foi sintetizado pela rota sol-gel, obtendo-se um pó altamente cristalino, conforme demonstrado pelos resultados de DRX.

Abstract: The present work aims to develop, investigate, and characterize a processing route for anode-supported SOFC components manufacturing, particularly, electrolyte, functional, and structural anode. Combining aqueous tape casting and freeze drying, it was possible to obtain thin and flexible green tapes, while generating highly directional pores within structural anodes. Different casting techniques were also tested, such as screen printing and manual tape casting. The suspensions were assessed by their rheological behavior, comparing the effects of varying composition, reaching a pseudoplastic behavior. Freeze-drying was performed with the aid of liquid nitrogen to promote fast freezing. However, the freezing velocity was so high that the directional pores were not perfectly formed. A different freezing condition was also tested, at a lower freezing speed, which provided a better result. The green tapes were evaluated by their morphological aspects, aiming for flexible, resistant, and defect-free tapes. A new delamination technique was developed to separate the tapes from the carrier film, by using stearic acid. As a result, the tapes were much more easily removed, when compared to using silicone spray. The tapes were joined by vacuum assembling, which provided a good bond, thus, dismissing the use of lamination techniques. Finally, the assembled tapes were debinded and sintered by using a constraining technique, which led to their breakage. SEM images were taken to assess pores morphology, assembling quality, and thickness of the tapes. To obtain one of the raw materials for anode manufacturing, nickel oxide was synthesized by sol-gel route, obtaining a highly crystalline powder, as shown by XRD results.