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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.75.2021.tde-31052021-103118
Document
Author
Full name
Wilner Valenzuela Barrientos
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2021
Supervisor
Committee
Ticianelli, Edson Antonio (President)
Fernández, Pablo Sebastián
León, José Joaquín Linares
Matencio, Tulio
Olivi, Paulo
Title in Portuguese
Estudo da reação de oxidação de glicerol numa célula a combustível de óxido sólido (SOFC) a base de CGO, utilizando um catalisador a base de Ni e Fe
Keywords in Portuguese
células a combustível de óxido sólido
CGO
glicerol
NiFe
Abstract in Portuguese
As células a combustível são sistemas com capacidade de converter energia química em energia elétrica. De todos os tipos de sistemas, as células a combustível de óxido sólido (SOFC) são sistemas que operam em altas temperaturas, sem a necessidade de usar metais nobres. Neste trabalho, para estudar o processo de oxidação eletroquímica do glicerol sobre Ni0,2Fe0,8 como catalisador, uma célula a combustível de óxido sólido suportada no ânodo foi montada usando o processo de prensagem direta, um processo simples e de baixo custo. A célula a combustível unitária consiste de um ânodo poroso composto por uma mistura de NiO e Ce0.8Gd0.2O1.95 (CGO), um eletrólito denso baseado em CGO e um cátodo poroso composto por uma mistura de La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3 (LSFCO) e CGO. Na superfície do ânodo poroso e com a ajuda de um aerógrafo, impregnou-se uma camada fina de uma mistura do catalisador e CGO, com o objetivo de estudar o efeito do catalisador sobre a reação anódica, tendo como combustível uma solução de água/glicerol (S/C = 2) que foi usada a um fluxo constante de 0,2 mL/h, e como oxidante, oxigênio do ambiente. A temperatura de operação variou-se entre 600 e 800 °C. Sob essas condições, amostras com os produtos de oxidação do glicerol foram coletadas na saída da célula a combustível e analisadas por um cromatógrafo de gases. Os principais produtos de reforma (célula a circuito aberto) e da oxidação do glicerol detectados foram hidrogênio (H2), monóxido de carbono (CO), metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), eteno (C2H4), etano (C2H6). Os resultados mostraram que a temperatura leva a duas tendências, com o aumento da temperatura de 600 para 800 °C: a seletividade para a produção de hidrogênio diminui, passando de um valor próximo aos 70 % para um valor de 60%, enquanto que para os demais produtos, suas seletividades foram favorecidas, passando de 5% para 8% em média. Também se observou que um sistema polarizado diminui a seletividade para a produção de hidrogênio, devido a sua oxidação no ânodo; enquanto isso, a seletividade do CO2 é favorecida, comparada com a obtida no potencial de circuito aberto, decorrente a oxidação direta do glicerol e do CO, CH4, C2H4 and C2H6, gerados no processo de reforma.
Title in English
Study of the glycerol oxidation reaction in a solid oxide fuel cell (SOFC) based on CGO, using a Ni and Fe based catalyst
Keywords in English
CGO
glycerol
NiFe
solid oxide fuel cell
Abstract in English
Fuel Cells are systems with the capacity to convert chemical energy into electrical energy. Among all types of systems, Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) operate at high temperatures, without the need to use noble metals. In this work, in order to study the process of electrochemical oxidation of glycerol on NiFe as a catalyst, a solid oxide fuel cell supported on the anode was mounted using a direct pressing procedure, involving a simple and low-cost process. The unit fuel cell consists of a porous anode composed of a mixture of NiO and Ce0.8Gd0.2O1.95 (CGO), a dense electrolyte based on CGO, and a porous cathode composed of a mixture of La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3 (LSFCO) and CGO. On the surface of the porous anode and with the help of an airbrush, a thin layer of a mixture of NiFe and CGO was impregnated, this having the aim of studying the effect of NiFe as a catalyst of the anodic reaction. As a fuel, a water / glycerol solution (S/C = 2) was used at a constant flow of 0.2 mL/h, and as oxidizer, oxygen from the environment. The operating temperature was varied between 600 and 800 °C. Under these conditions, samples of glycerol reform/oxidation products were collected at the exit of the fuel cell, and then analyzed by gas chromatography. The main glycerol reform/oxidation products detected were hydrogen (H2), carbon monoxide (CO), methane (CH4), carbon dioxide (CO2), ethene (C2H4), ethane (C2H6). The results show that the temperature leads to two trends, with the increase in temperature from 600 to 800 °C: the selectivity to hydrogen production decreases, from a value close to 70% to a value close to 60%, while that for the other products, their selectivity were favored, going from 5% to 8% on average. It was also found that a polarized system has a lower selectivity to hydrogen production, due to its oxidation in the anode; meanwhile, the selectivity of CO2 are favored, compared with the obtained at open circuit potential, as a result of the direct oxidation of glycerol and of CO, CH4, C2H4 and C2H6 generated by reform.
 
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Publishing Date
2021-06-01
 
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