Células a combustível de óxido sólido são sistemas capazes de gerar energia elétrica por meio da oxidação de moléculas hidrogenadas. Normalmente os sistemas planares e tubulares, são compostos por quatro constituintes bem definidos: cátodo, ânodo, eletrólito e selante. Este último componente é o foco do presente estudo, sendo que suas principais características são estabilidade química na temperatura de operação da célula, isolamento elétrico e coeficiente de expansão térmica compatível com os outros constituintes, além da viscosidade elevada e resistência química em atmosferas oxidantes e redutoras. Devido à geometria planar e de multicamadas da célula se optou por usar como selante vidros niobofosfatos. A selagem foi realizada a partir de dispersão de pó de vidro em álcool etílico, gerando uma solução viscosa que foi aplicada sobre o substrato. Posteriormente realizou se um tratamento térmico para a consolidação do selamento. Os vidros estudados foram denominados de Nb30, Nb37, Nb40 e Nb44, de acordo com o teor nominal de óxido de nióbio utilizado na composição. O objetivo desse trabalho foi caracterizar, a partir de precursores os selantes a base de vidros niobofosfatos para aplicar em células a combustível de óxido sólido do tipo planar. Foram feitos caracterizações dos pós dos vidros e de pastilhas cristalizadas para determinar os coeficientes de expansão térmica (CET), resistividade elétrica, difração de raio X e microscopia eletrônica de varredura (MEV), além de, caracterizar visualmente sua adesividade, molhabilidade, resistência mecânica em substratos de alumina e em conjunto com os componentes das SOFC, sendo também testados os selantes em operação nas unidades previamente formadas de SOFC (ciclos térmicos). / Solid oxide fuel cells (SOFC) are devices which generate d.c. power by the oxidation of hydrogen molecules. These devices can have a multilayer plane design containing a cathode, an anode, a solid electrolyte, and a sealing material. The sealing, which is the subject of this study, has to be chemically stable at relatively SOFC operational condition in oxi-redox atmospheres, electrical insulator, with a thermal expansion coefficient matching other components, and, in of glass, the viscosity must be relatively high. The aim of the present work is to characterize niobophosphate glasses which will be used as sealant precursors of Solid Oxide Fuel Cell with a plane design. Niobophosphate glasses, named Nb30, Nb37, Nb40, and Nb44 according to the niobium content, were investigated for this purpose. The sealing was performed by mixing glass powder with ethanol which was applied over the substrate. Later, a heat treatment was performed to consolidate the sealing. Glass powder and devitrified glass pellets were characterized by different techniques. The thermal expansion coefficient, electrical resistivity, and the X-rays diffraction pattern were determined for these materials. Scanning electron microscopy was also used to visualize the sealing/ substrate interface, and to evaluate the adhesiveness, wetability, apparent mechanical resistance in alumina substrates and in other SOFC components. The sealants were tested in SOFC, and also submitted to simulating thermal cycles.

Células a combustível de óxido sólido são sistemas capazes de gerar energia elétrica por meio da oxidação de moléculas hidrogenadas. Normalmente os sistemas planares e tubulares, são compostos por quatro constituintes bem definidos: cátodo, ânodo, eletrólito e selante. Este último componente é o foco do presente estudo, sendo que suas principais características são estabilidade química na temperatura de operação da célula, isolamento elétrico e coeficiente de expansão térmica compatível com os outros constituintes, além da viscosidade elevada e resistência química em atmosferas oxidantes e redutoras. Devido à geometria planar e de multicamadas da célula se optou por usar como selante vidros niobofosfatos. A selagem foi realizada a partir de dispersão de pó de vidro em álcool etílico, gerando uma solução viscosa que foi aplicada sobre o substrato. Posteriormente realizou se um tratamento térmico para a consolidação do selamento. Os vidros estudados foram denominados de Nb30, Nb37, Nb40 e Nb44, de acordo com o teor nominal de óxido de nióbio utilizado na composição. O objetivo desse trabalho foi caracterizar, a partir de precursores os selantes a base de vidros niobofosfatos para aplicar em células a combustível de óxido sólido do tipo planar. Foram feitos caracterizações dos pós dos vidros e de pastilhas cristalizadas para determinar os coeficientes de expansão térmica (CET), resistividade elétrica, difração de raio X e microscopia eletrônica de varredura (MEV), além de, caracterizar visualmente sua adesividade, molhabilidade, resistência mecânica em substratos de alumina e em conjunto com os componentes das SOFC, sendo também testados os selantes em operação nas unidades previamente formadas de SOFC (ciclos térmicos). / Solid oxide fuel cells (SOFC) are devices which generate d.c. power by the oxidation of hydrogen molecules. These devices can have a multilayer plane design containing a cathode, an anode, a solid electrolyte, and a sealing material. The sealing, which is the subject of this study, has to be chemically stable at relatively SOFC operational condition in oxi-redox atmospheres, electrical insulator, with a thermal expansion coefficient matching other components, and, in of glass, the viscosity must be relatively high. The aim of the present work is to characterize niobophosphate glasses which will be used as sealant precursors of Solid Oxide Fuel Cell with a plane design. Niobophosphate glasses, named Nb30, Nb37, Nb40, and Nb44 according to the niobium content, were investigated for this purpose. The sealing was performed by mixing glass powder with ethanol which was applied over the substrate. Later, a heat treatment was performed to consolidate the sealing. Glass powder and devitrified glass pellets were characterized by different techniques. The thermal expansion coefficient, electrical resistivity, and the X-rays diffraction pattern were determined for these materials. Scanning electron microscopy was also used to visualize the sealing/ substrate interface, and to evaluate the adhesiveness, wetability, apparent mechanical resistance in alumina substrates and in other SOFC components. The sealants were tested in SOFC, and also submitted to simulating thermal cycles.

Orientadores: Ítalo Odone Mazali, Fernando Aparecido Sigoli / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-22T16:11:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mello_LauraBissolide_M.pdf: 5917459 bytes, checksum: 84ba21daf327140c83f0038b51e81366 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: No presente trabalho, buscou-se avaliar as mudanças promovidas pela substituição parcial e total de TiO2 por GeO2 em vidros niobofosfato co-dopados com Er/Yb previamente estudados pelo grupo. Uma série de sistemas vítreos de composições 20Na2O-30Nb2O5-(5-y-z)Al2O3-30P2O5-(15-x)TiO2-xGeO2-yEr2O3-zYb2O3 com x = (0; 5; 10; 15), y = (0; 1), z = (0; 2) mol%, obtidos por fusão-resfriamento, foram investigados quanto à sua estrutura, propriedades ópticas e de luminescência. Análises de FTIR e Raman sugerem que a estrutura de vidro não se altera de forma significativa ao longo da série de substituições de TiO2 por GeO2 e, consequentemente, a coordenação dos elementos devem se manter semelhantes. Na literatura reporta-se que íons Ge têm preferencialmente coordenação 4; entretanto, nos sistemas estudados, sugere-se que o Ge apresente coordenação 6, semelhante à do Ti substituído. Esta proposição é confirmada pelos espectros de P MAS-NMR, os quais indicam que os vidros possuem cadeias majoritariamente do tipo pirofosfato, sem mudança no grau de polimerização com as substituições. Também pôde-se confirmar a manutenção da coordenação com os resultados obtidos da fotoluminescência dos sistemas vítreos co-dopados, nos quais os tempos de vida de emissão do íon Er (5 ms) e parâmetros de intensidade de Judd-Ofelt dos diferentes sistemas vítreos são muito semelhantes entre si, e o processo de emissão de upconversion dos vidros dopados envolve 1,5 fótons. Quanto ao comportamento térmico, observa-se que os vidros contendo maior proporção de GeO2 têm maior estabilidade térmica e são, portanto, mais resistentes à desvitrificação quando comparado às composições contendo mais TiO2 / Abstract: The aim of this work was to study the changes promoted by partial and complete substitution of TiO2 by GeO2 in Er/Yb co-doped niobophosphate glasses previously studied by the group. A series of glasses with composition 20Na2O-30Nb2O5-(5-y-z)Al2O3-30P2O5-(15-x)TiO2-xGeO2-yEr2O3-zYb2O3 with x = (0; 5; 10; 15), y = (0; 1), z = (0; 2) mol%, prepared by quenching-melt process, were investigated with respect to their structural, optical and luminescence properties. FTIR and Raman analysis suggest that the glassy chains didn¿t suffer relevant modifications with the TiO2 substitutions by GeO2 and as a consequence, the coordination of the ions weren¿t affected. The coordination of the Ge ion is reported as mainly thetraedral; however, in the present work, is suggested that Ge ion has an octahedral coordination, as well the TiO2 substituted. This proposition is confirmed by the P MAS-NMR spectra, which showed mainly pyrophosphate chains of the different glasses, without changings in their polymerization after the substitutions. The similar ions coordination was also confirmed by the photoluminescence behavior of the different co-doped samples, which showed equal Er emission decay lifetimes (5 ms) and Judd-Ofelt intensity parameters, and the upconversion emission process involved 1,5 photons. Regarding the thermal behavior, it is noted that the glasses containing higher proportions of GeO2 have higher thermal stability and are therefore more resistant to devitrification when compared to compositions containing more TiO2 / Mestrado / Quimica Inorganica / Mestra em Química