O alto índice de emissões gasosas tem impulsionado cada vez mais pesquisas com células a combustível com membrana trocadora de prótons (PEMFC), dispositivo eletroquímico capaz de produzir energia gerando apenas vapor de água como resíduo. Atualmente, entre os desafios que impossibilitam a popularização deste tipo de dispositivo estão o aperfeiçoamento da gestão da água e a diminuição dos índices de crossover de reagentes do ânodo para o cátodo. Este trabalho teve como meta utilizar a biomimética como ferramenta para criar novos designs de canais em placas de distribuição de reagentes, para melhor gestão da água e minimização do crossover do combustível em PEMFCs. Foram realizados experimentos em laboratório utilizando-se protótipos de PEMFC e experimentos computacionais de modelagem fluidodinâmica utilizando software SolidWorks. Pelos resultados constatou-se que a variação sincronizada da profundidade dos canais de fluxo em ambos os lados da placa bipolar possibilita minimizar a queda de pressão dos reagentes, sem a necessidade de aumento da espessura desta mantendo-se a densidade de potência do stack. Verificou-se que placas de distribuição de reagentes parcialmente interdigitadas são uma ferramenta eficaz no controle da umidade da célula durante a operação, evitando o uso de dispositivos periféricos para umidificação, e maior transferência de energia térmica entre placas e reagente. Numa célula a combustível alimentada com etanol sem periféricos para melhor balanço do decréscimo do crossover de etanol e remoção eficiente da água produzida no cátodo, a melhor combinação de placas de distribuição de reagentes foi obtida quando usado no ânodo uma placa com canais de distribuição de reagentes contínuos, e no cátodo uma placa com canais parcialmente interdigitados. Para melhor gestão da água, transferência de energia térmica e crossover em função do design dos canais de distribuição de reagentes nas placas bipolares, neste trabalho, foram propostas placas com canais de distribuição bioinspirados. O uso da biomimética mostrou ser uma abordagem diferenciada em busca da melhora de desempenho de PEMFCs. A biomimética possibilitou a criação de múltiplos subsistemas com características de autossimilaridade dentro de uma mesma estrutura física, e permitiu ampliar a proporção de área ativa do MEA, mantendo-se as mesmas dimensões das placas bipolares, através do uso de canais em fractais. As placas bipolares bioinspiradas propostas, tendo canais com configurações em fractais padronizadas, mostraram através de ensaios simulados serem altamente eficientes na gestão da água e do crossover. / The high gas emissions content has driving more attention on proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), an electrochemical device that generates energy producing only water vapor as waste. Among the challenges that reduces the use of this type of device are a better water management and the fuel crossover reduction. The aim of this work is the use of biomimetics as a tool to create new flow field plate designs for improving water management and minimizing fuel crossover in a PEMFC. A serie of lab experiments were carried out in a single PEMFC prototype and others computational fluid dynamic using SolidWorks. The results have shown that a synchronized variation in the depth of the flow field channels on both sides of a bipolar plate allows minimize the reagent pressure loss without increasing the plate thickness or decreasing the stack power density. The baffle flow field plates have shown be an effective tool for controlling the cell humidification operated without periphericals or humidifiers devices and for a better transferring thermal energy between the plate and reagent. For a better balance between ethanol crossover and efficient removal of water produced in a direct ethanol proton exchange membrane fuel cell without peripherals, the best flow field plate combination obtained was a continuous channels plate at the anode side, and partially discontinuous channels plate at the cathode. For a better water management, thermal energy transfer management and crossover management in this work, flow field plates with designs bioinspired were investigated. The biomimetic was a strong tool to optimizing the performance of PEMFC. The biomimetic has enabled the creation of numerous similar self-subsystems optimizing the MEA active area by using fractals channels without changing the bipolar plate dimensions. The bipolar plate’s bioinspired having configured channels in fractal standard showed through SolidWorks simulated experiments be highly efficient in controlling water or ethanol crossover in a PEMFC.

Células a combustível são fontes de produção de energia alternativa com baixos impactos ambientais e alta taxa de conversão de energia química em energia elétrica. Para aumentar o potencial das células a combustível (SOFC) é necessário conectá-las em série por meio de interconectores, promovendo o contato elétrico entre os eletrodos e a separação dos gases. Os interconectores metálicos apresentam diversas vantagens como baixo custo, boas propriedades mecânicas, alta condutividade térmica e facilidade de fabricação. Entretanto, podem sofrer oxidação durante a operação das células a combustível de óxido sólido de temperatura intermediária (ITSOFC), cujas temperaturas situam-se entre 600 °C e 800 °C. A oxidação pode comprometer o desempenho da célula devido ao aumento da resistência elétrica, afetando a estabilidade da mesma a longo prazo. Uma forma de melhorar a resistência ao crescimento de óxido em interconectores metálicos consiste na aplicação de um revestimento que pode reduzir a taxa de formação de óxido, assim como modificar as propriedades do óxido que é formado na interface do substrato. Portanto, revestimentos superficiais densos, eletronicamente condutores e de baixo custo para interconectores metálicos precisam ser desenvolvidos. O objetivo deste trabalho é obter um filme de espinélio de manganês-cobalto sobre aço inoxidável ferrítico AISI 430 pelo processo de dip-coating a partir de um sol-gel constituído por sais de Mn e Co. Os óxidos do tipo espinélio tem maior aplicabilidade devido ao seu coeficiente de expansão térmica ser compatível com os outros componentes da célula. Além disso, este revestimento pode promover uma barreira para a volatilização de cromo e difusão de oxigênio. Os filmes obtidos foram caracterizados quanto à adesão, quanto à morfologia e à estrutura (por MEV, EDS, DRX) e quanto à resistência à oxidação. Por meio de análise de DRX, para a amostra aço inoxidável ferrítico AISI 430 tratada termicamente com filme de MnCo, não foi identificada a fase desejada de espinélio MnCo2O4. Essa fase foi identificada apenas em amostras revestidas após o processo de oxidação. Nos ensaios de oxidação, observaram-se filmes com cobertura regular, sem formação de trincas e fissuras. Amostras revestidas apresentaram menor ganho de massa em relação ao substrato sem revestimento, indicando um aumento na resistência à oxidação. Por meio da análise de Espectroscopia de energia dispersiva constatou-se a formação de lamelas em todas as amostras analisadas. Por meio de Fluorescência de raios-X foi possível verificar a presença de um filme contendo MnCo sobre o substrato. O valor da constante parabólica de oxidação obtida foi da ordem de 10-14 g2cm-4s-1. De acordo com a literatura, estes valores estão adequados para aplicação como interconector de célula a combustível. / Fuel cells are an attractive alternative for the production of energy with few environmental impacts and high yield conversion of chemical energy into electrical energy. In order to multiply the SOFC electrical power, cells are connected in series by interconnectors, which promote electrical contact between the electrodes and the separation of gas and fuel. The metall interconnect has many advantages such as low material cost, good mechanical properties, high thermal conductivity and easy manufacturing process. However, one major concern about metall interconnects is their oxidation during the ITSOFC (intermediate temperature solid oxide fuel cell) operation, which proceed in a temperature range of 600 °C to 800 °C. The oxidation can affect their long-term stability due to the electrical resistance increase. One approach to improving the oxide growth resistance of metallic interconnects is to apply a coating that may reduce the rate of oxide formation as well as modify the properties of the oxide that is generated by the substrate. Therefore, compact, electronically conductive and low-cost surface coatings for metallic interconnects need to be developed. The aim of this work is to develop a film of cobalt-manganese spinel on ferritic stainless steel AISI 430, by dip-coating process from a sol-gel consisting of salts of Mn and Co. The oxides of type spinel are more applicable due to in addition to the compatibility of its thermal expansion coefficient be compatible with the other components of the cell. Besides, this coating can promote a barrier to the chromium volatilization and oxygen diffusion. In this work, coatings based on MnCo will be to attain by of dip-coating process on ferritic stainless steel AISI 430. The films will be characterized by adhesion morphology and structure (SEM, EDS, XRD), XRF and oxidation resistance. It is purpose to develop a uniform film, adherent and without cracks and fissures. Through XRD analysis for the sample annealed ferritic steel stainless AISI 430 with MnCo film. It was not identified the desired spinel phase MnCo2O4. This layer was identified only in coated samples after the oxidation process. In thermal oxidation, it was observed films with regular coverage without formation of cracks and fissures. It shows lower weight gain compared to uncoated substrate indicating an increase in oxidation resistance. The EDS analysis showed the formation of scale in all analyzed samples. By XRF was possible to assert that there is presence of a film containing MnCo on the substrate. The value obtained from the constant parabolic oxidation was approximately 10-14 g2cm-4s-1. According to the literature these values are adequate for application as fuel cell interconnects.

Células a combustível são fontes de produção de energia alternativa com baixos impactos ambientais e alta taxa de conversão de energia química em energia elétrica. Para aumentar o potencial das células a combustível (SOFC) é necessário conectá-las em série por meio de interconectores, promovendo o contato elétrico entre os eletrodos e a separação dos gases. Os interconectores metálicos apresentam diversas vantagens como baixo custo, boas propriedades mecânicas, alta condutividade térmica e facilidade de fabricação. Entretanto, podem sofrer oxidação durante a operação das células a combustível de óxido sólido de temperatura intermediária (ITSOFC), cujas temperaturas situam-se entre 600 °C e 800 °C. A oxidação pode comprometer o desempenho da célula devido ao aumento da resistência elétrica, afetando a estabilidade da mesma a longo prazo. Uma forma de melhorar a resistência ao crescimento de óxido em interconectores metálicos consiste na aplicação de um revestimento que pode reduzir a taxa de formação de óxido, assim como modificar as propriedades do óxido que é formado na interface do substrato. Portanto, revestimentos superficiais densos, eletronicamente condutores e de baixo custo para interconectores metálicos precisam ser desenvolvidos. O objetivo deste trabalho é obter um filme de espinélio de manganês-cobalto sobre aço inoxidável ferrítico AISI 430 pelo processo de dip-coating a partir de um sol-gel constituído por sais de Mn e Co. Os óxidos do tipo espinélio tem maior aplicabilidade devido ao seu coeficiente de expansão térmica ser compatível com os outros componentes da célula. Além disso, este revestimento pode promover uma barreira para a volatilização de cromo e difusão de oxigênio. Os filmes obtidos foram caracterizados quanto à adesão, quanto à morfologia e à estrutura (por MEV, EDS, DRX) e quanto à resistência à oxidação. Por meio de análise de DRX, para a amostra aço inoxidável ferrítico AISI 430 tratada termicamente com filme de MnCo, não foi identificada a fase desejada de espinélio MnCo2O4. Essa fase foi identificada apenas em amostras revestidas após o processo de oxidação. Nos ensaios de oxidação, observaram-se filmes com cobertura regular, sem formação de trincas e fissuras. Amostras revestidas apresentaram menor ganho de massa em relação ao substrato sem revestimento, indicando um aumento na resistência à oxidação. Por meio da análise de Espectroscopia de energia dispersiva constatou-se a formação de lamelas em todas as amostras analisadas. Por meio de Fluorescência de raios-X foi possível verificar a presença de um filme contendo MnCo sobre o substrato. O valor da constante parabólica de oxidação obtida foi da ordem de 10-14 g2cm-4s-1. De acordo com a literatura, estes valores estão adequados para aplicação como interconector de célula a combustível. / Fuel cells are an attractive alternative for the production of energy with few environmental impacts and high yield conversion of chemical energy into electrical energy. In order to multiply the SOFC electrical power, cells are connected in series by interconnectors, which promote electrical contact between the electrodes and the separation of gas and fuel. The metall interconnect has many advantages such as low material cost, good mechanical properties, high thermal conductivity and easy manufacturing process. However, one major concern about metall interconnects is their oxidation during the ITSOFC (intermediate temperature solid oxide fuel cell) operation, which proceed in a temperature range of 600 °C to 800 °C. The oxidation can affect their long-term stability due to the electrical resistance increase. One approach to improving the oxide growth resistance of metallic interconnects is to apply a coating that may reduce the rate of oxide formation as well as modify the properties of the oxide that is generated by the substrate. Therefore, compact, electronically conductive and low-cost surface coatings for metallic interconnects need to be developed. The aim of this work is to develop a film of cobalt-manganese spinel on ferritic stainless steel AISI 430, by dip-coating process from a sol-gel consisting of salts of Mn and Co. The oxides of type spinel are more applicable due to in addition to the compatibility of its thermal expansion coefficient be compatible with the other components of the cell. Besides, this coating can promote a barrier to the chromium volatilization and oxygen diffusion. In this work, coatings based on MnCo will be to attain by of dip-coating process on ferritic stainless steel AISI 430. The films will be characterized by adhesion morphology and structure (SEM, EDS, XRD), XRF and oxidation resistance. It is purpose to develop a uniform film, adherent and without cracks and fissures. Through XRD analysis for the sample annealed ferritic steel stainless AISI 430 with MnCo film. It was not identified the desired spinel phase MnCo2O4. This layer was identified only in coated samples after the oxidation process. In thermal oxidation, it was observed films with regular coverage without formation of cracks and fissures. It shows lower weight gain compared to uncoated substrate indicating an increase in oxidation resistance. The EDS analysis showed the formation of scale in all analyzed samples. By XRF was possible to assert that there is presence of a film containing MnCo on the substrate. The value obtained from the constant parabolic oxidation was approximately 10-14 g2cm-4s-1. According to the literature these values are adequate for application as fuel cell interconnects.

A presente Tese, elaborada pela integração de seis artigos científicos publicados em periódicos internacionais, tem por objetivo geral a realização de simulações termodinâmicas aplicadas à produção de hidrogênio e geração de eletricidade a partir de células a combustível de baixa temperatura (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC) e alta temperatura (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC). Foram simuladas diferentes rotas termoquímicas para a produção de hidrogênio (reforma a vapor, autotérmica, oxidação parcial, reforma com captura in situ de CO2, unmixed reforming e chemical looping), empregando-se diversos combustíveis (etanol, glicerol, metanol, n-butanol, biogás e metano). Além disso, foi analisada a utilização direta de combustível (glicerol) no ânodo de uma célula SOFC. Com a realização desta Tese, as seguintes metas gerais foram alcançadas: (1) A partir de dados experimentais da literatura, foi possível propor explicações, com base na termodinâmica, capazes de justificar tais valores e tendências reportados; (2) Elaboração de diagramas práticos em que são mostradas as condições otimizadas para a realização de experimentos, o que é de utilidade para pesquisadores experimentalistas; (3) Proposição de novas rotas eficientes e limpas para produção de H2 e geração de eletricidade com o uso de células a combustível; (4) Demonstração da aplicabilidade e robustez de uma ferramenta de fácil entendimento e acesso para uso em simulações termodinâmicas envolvendo problemas convexos. / The present Thesis, whose elaboration is based on the integration of six scientific papers published in refereed international journals, is focused on carrying out thermodynamic simulations applied to hydrogen production and electricity generation from fuel cells operating at low temperatures (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC) and high temperatures (Solid Oxide Fuel Cell – SOFC). Different thermochemical routes for hydrogen production were simulated (steam reforming, auto-thermal reforming, partial oxidation, sorption enhanced steam reforming, unmixed reforming and chemical looping), considering the use of a wide variety of fuels (ethanol, glycerol, n-butanol, methanol, biogas and methane). In addition, the direct utilization of a fuel (glycerol) in the SOFC anode is evaluated. The following general goals were achieved with this Thesis: (1) From experimental data obtained from literature, it was possible to propose explanations, based on thermodynamics, which were able to justify these reported values and trends; (2) Elaboration of practical diagrams, in which the optimized conditions for carrying out experiments are indicated. This is particularly useful for experimental researchers; (3) Proposal for new clean and efficient routes for hydrogen production and electricity generation from fuel cells; (4) Demonstration of applicability and robustness of a tool, which is easy to understand and apply, for thermodynamic simulations comprising convex problems.

Orientadores: Ennio Peres da Silva, André Tosi Furtado / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-16T06:34:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_AnaMariaResende_D.pdf: 2212815 bytes, checksum: 8a452ae39f048f3c8598b490323f8b7a (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O uso do hidrogênio como energético foi cogitado na segunda metade dos anos 1970, durante a Crise do Petróleo, mas a redução dos preços do petróleo em meados dos anos 1980 fez com que esta alternativa e outras propostas de energias alternativas se tornassem economicamente inviáveis, reduzindo em muito o interesse na tecnologia e economia do hidrogênio. Um interesse maior pelo uso do hidrogênio como energético voltou a ocorrer em meados dos anos 90, com o aumento das preocupações ambientais, principalmente pelos Estados Unidos, para alternativas ao Protocolo de Quioto. O objetivo geral deste trabalho é identificar o tipo de célula a combustível e a fonte de energia para obtenção do hidrogênio mais pesquisada, no período compreendido entre os anos de 1970 e 2006, bem como verificar os recursos governamentais destinados para programas de P&D em hidrogênio e células a combustível. A metodologia utilizada foi a bibliometria em que a identificação do tipo de célula a combustível e da fonte de energia para obtenção do hidrogênio baseou-se na busca de um conjunto de periódicos científicos de grande circulação, reunindo registros sobre artigos científicos do mundo inteiro. Dessa forma, foi possível identificar a quantidade de artigos, o ano de publicação, o país onde foi realizada pesquisa, o tipo de célula a combustível e a fonte de energia para obtenção do hidrogênio mais pesquisada. Em relação aos recursos governamentais destinados a programas de P&D a pesquisa baseou-se na análise de um conjunto de documentos governamentais de diversos países. A análise descrita neste trabalho se pautou na consulta de 3.501 artigos e possibilitou constatar que o uso energético do hidrogênio nunca foi tão pesquisado e proposto como solução de vários problemas do atual quadro energético de muitos países. A importância dada a esta alternativa varia de país para país, predominando o interesse dos países mais desenvolvidos como Estados Unidos, Japão, Alemanha, Reino Unido, Canadá. Os resultados indicaram um interesse maior no uso automotivo das células a combustível. Sendo esta a aplicação principal para as células a combustível constata-se um maior interesse nas células tipo PEM, mais adequadas a esta aplicação, seguida da célula tipo SOFC. Verifica-se que a produção de hidrogênio a partir dos combustíveis fósseis tem sido feita de forma mais intensiva pelos Estados Unidos, Japão, Alemanha, Reino Unido, Canadá, Noruega. A consulta dos artigos científicos indicou que as fontes renováveis utilizadas para produção de hidrogênio são etanol, metano (biogás), biodiesel e vento. Os países identificados com maior interesse neste tipo de fonte de energia para produção de hidrogênio são Estados Unidos, Alemanha, Canadá, Reino Unido, Países Baixos e Japão / Abstract: The use of hydrogen energy was considered in the second half of the 1970s, during the Oil Crisis, but the reduction of oil prices in the mid-80s made this alternative and other proposals for alternative energy sources become economically unviable and greatly reduced the interest in the hydrogen technology and economy. A greater interest in the use of hydrogen as an energy Carrier emerged again in the mid 1990s with increasing environmental concerns, particularly in the United States, as an alternative to the Kyoto Protocol. The main objective of this study is to identify the types of fuel cells and energy sources for obtaining hydrogen in the period between 1970 and 2006, and to verify government funding allocated to R&D programs in hydrogen and cells fuel. Bibliometrics was the methodology employed to identify the type of fuel cell and energy source for obtaining hydrogen and was based on the search for a set of scientific journals of wide circulation, gathering records on scientific articles worldwide. The bibliometrics analysis allowed the identification of the number of articles, the year of publication, the country where research was conducted, the most researched type of fuel cell and power source for obtaining hydrogen. This study was based on an analysis of a number of government documents from various countries (U.S., European Union, Japan and Brazil). The analysis of these documents led to the verification of the government funding allocated to R&D programs in hydrogen and fuel cells. The analysis described in this work was based on the consultation of 3501 articles and allowed to verify that in the period known as the "Oil Crisis" the number of publications for the keywords hydrogen and fuel cell was small, but that from 1992 on, it was observed a growing number of publications for these keywords. The results indicate that the interest is greater in PEM fuel cells, followed by SOFC; and the largest number of applications refers to automotive use. Concerning the hydrogen generation, results indicated an interest in fossil fuels when compared individually with renewable energy sources. The following renewable energy sources were found in the analyzed papers: ethanol, methane, wind, biodiesel. The countries that are more interested in this type of energy source for hydrogen production are the United States, Germany, Canada, the United Kingdom, the Netherlands and Japan / Doutorado / Doutor em Planejamento de Sistemas Energéticos

Orientadores: Wagner dos Santos Oliveira, João Carlos Castro Abrantes / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-17T20:21:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tanaka_ReinaldoNorio_M.pdf: 3112364 bytes, checksum: 7a29a907295d025de170c9779b26c793 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: As pilhas a combustível de óxido sólido (SOFC) têm um horizonte muito promissor graças ao uso de hidrogênio e outros combustíveis menos poluentes, eficiência alta devido à temperatura de operação ser acima de 800ºC e sua vasta gama de aplicações, desde alguns quilowatts até centenas de megawatts. Um dos seus componentes mais importantes é o eletrólito, que cumpre o papel de fazer a condução dos íons O2- do cátodo para o ânodo e fazer ainda a separação física entre os eletrodos. No estudo das SOFCs há dois materiais de grande interesse para uso como eletrólitos: a zircônia dopada com ítria (YSZ) e a céria dopada com gadolínia (CGO). Neste trabalho se busca otimizar as propriedades condutoras e mecânicas destes materiais. Sinterizaram-se amostras destes dois materiais e para as análises utilizou-se MEV ao se avaliar as microestruturas e mensurá-las, e também espectroscopia de impedâncias para a medição do comportamento condutivo. A YSZ é o material mais estudado para eletrólitos em SOFCs, dada sua alta condutividade iônica a temperaturas acima de 800ºC e sua resistência mecânica. Neste trabalho sinterizou-se uma amostra de YSZ a partir de prensagem a quente, diminuindo a temperatura de 1500ºC para 1200ºC e utilizando uma pressão de 65 MPa. A amostra apresentou satisfatória densificação, condutividade semelhante à amostra de referência, porém sua condutividade nos contornos de grão foi inferior à referência. Quanto à CGO, este é um dos materiais mais cotados para se tornar o eletrólito para as SOFCs de temperatura intermediária, entre 500ºC-700ºC, já que nessa temperatura possui condutividade iônica maior do que a YSZ. O objetivo é sinterizar amostras de CGO com dopagem heterogênea, adicionando pequenas quantidades de céria e gadolínia. Verificou-se que os aditivos, tanto a céria quanto a gadolínia, migraram para os contornos de grão e modificaram sobremaneira os valores de condução iônica e em alguns casos até o mecanismo de condução / Abstract: The solid oxide fuel cell (SOFC) has a very promising horizon due to the use of hydrogen and other cleaner fuels, efficiency due to high operating temperature, above 800°C and its wide range of uses, from a few kilowatts to hundreds of megawatts. One of its most important components is the electrolyte, as its role is the conductor of O2- ions from the cathode to the anode and to separate physically the electrodes. In the study of SOFC there are two materials with large interest for use in electrolytes: yttria doped zirconia (YSZ) and ceria doped with gadolinia (CGO). This paper seeks to optimize mechanical and conductive properties of these materials. Some samples were sintered for each one of the two materials and SEM analysis was used to evaluate the microstructures and measure them, and impedance spectroscopy for the measurement conductive behavior. The YSZ is the most studied material for electrolytes in SOFC, due to its high ionic conductivity at temperatures above 800°C and mechanical strength; this paper will attempt to densify a sample of YSZ using hot pressing, reducing the temperature of 1500°C to 1200ºC and with a pressure of 65 MPa. The sample had a satisfactory densification, and its conductivity was similar to reference sample, but its conductivity at the grain boundaries was lower than the reference. The CGO is one of the most-quoted to become the electrolyte for intermediate temperature SOFC, between 500ºC-700°C, because in this temperature CGO has higher ionic conductivity than YSZ. This paper aims to sinter samples of CGO heterogeneous doping, adding small amounts of ceria and gadolinia. It was found that the additives, both as ceria and gadolinia, migrated to the grain boundary and changed greatly the values of ion conduction and in some cases the conducting mechanism / Mestrado / Ciencia e Tecnologia de Materiais / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Ennio Peres da Silva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-12T22:42:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ferreira_PauloFabricioPalhavam_M.pdf: 1604656 bytes, checksum: f806501ef39092fe041981d1e41774c3 (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: Neste trabalho foram analisadas as viabilidades técnica e econômica de sistemas de rodução de hidrogênio eletrolítico utilizando energia elétrica fora do horário de ponta e, reconversão deste hidrogênio em eletricidade durante o horário de ponta utilizando células a combustível. Para tanto foi construído um sistema piloto de produção e reconversão de hidrogênio com a finalidade de determinar-se as melhores condições de operação e eficiência energética para cada componente do sistema. Os resultados obtidos foram utilizados para uma análise econômica de viabilidade destes sistemas para uso industrial. Como resultados foram obtidas uma eficiência energética global de 16,4% e, para grandes diferenças de tarifa elétrica entre a ponta de carga e fora dela, foi encontrada a possibilidade da utilização desse tipo de sistema em industrias de médio e grande porte / Abstract: This work analyses the technical and economical viability of electrolytic hydrogen generation systems which used power during off-peak power demand and reconverted the energy stored in the form of hydrogen during peak hours by means of fuel cells. For this purpose, a pilot system for producing and reconverting hydrogen was built in order to determine the best operating conditions and power efficiency for each component if the system. The results obtained were used for the economical viability analysis of these systems in industrial use. For the pilot system analyzed, the results show a global energy efficiency of 16.4% and, for significant differences between the peak and off-peak power tariffs, that this kind of system may be used in medium and large companies / Mestrado / Mestre em Planejamento de Sistemas Energéticos

Orientador: Newton Pimenta Neves Junior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenahria Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-13T03:15:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Matos_MaianaBritode_M.pdf: 1440366 bytes, checksum: 0ca4f9659d3508e8af7bf6ebee2af0a2 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Na última década, muitos países, em especial os mais desenvolvidos, têm realizado investimentos financeiros de vulto em tecnologias relacionadas ao hidrogênio e às células a combustível, visando principalmente diminuir as emissões de gases de efeito estufa e aumentar a segurança energética. No Brasil, o Governo Federal através do Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT) também tem realizado investimentos nas áreas citadas, sem contar, no entanto, com um mecanismo eficaz para contabilizar esses recursos a fim de possibilitar a tomada de decisões estratégicas no setor. Assim sendo, o presente trabalho tem como objetivo identificar, classificar e contabilizar os investimentos financeiros realizados pelo setor público no Brasil em hidrogênio e células a combustível no período de 1999 a 2007. Para obtenção dos dados deste trabalho foram utilizadas duas metodologias: a Top-Down e a Bottom-Up. A primeira consiste em obter as informações através dos órgãos financiadores dos projetos, como instituições e fundos de fomento à Ciência e Tecnologia no Brasil, tais como: CNPq, FINEP, P&D ANEEL e Fundações de Amparo à Pesquisa. A segunda consiste em obter os dados diretamente dos grupos de pesquisa beneficiados com os recursos financeiros. Foram enviados questionários para 68 grupos de pesquisa, sendo que 54% foram respondidos. Os resultados indicam que as pesquisas no Brasil estão focadas na produção de hidrogênio via reforma de etanol e no desenvolvimento de células PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) e SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). A comparação realizada entre os países membros do BRIC (Brasil, Rússia, Índia e China), indicou que o Brasil investiu 157 milhões de reais ou 70 milhões de dólares, o que corresponde a 55% dos valores investidos pela Rússia ou China individualmente. A comparação entre BRIC e os países desenvolvidos indica que o total investido pelo BRIC no período de 2001 a 2007 é da mesma ordem grandeza dos investimentos anuais realizados pelos Estados Unidos, Japão ou União Européia, individualmente. Os resultados permitem concluir que para melhorar sua participação no mercado de equipamentos e serviços relacionados à Economia do Hidrogênio, o Brasil necessitará aumentar seus esforços em pesquisa, desenvolvimento e inovação na área. Para tanto, poderiam ser utilizados de modo mais eficiente fontes de recursos já existentes. Por exemplo, a aplicação de 57 milhões de dólares, que correspondem a 127 milhões de reais ou 31% das reservas de contingência do CTENERG no período de 2001 a 2007, já seria suficiente para equiparar os investimentos do Brasil com os investimentos da Rússia ou da China na Economia do Hidrogênio. / Abstract: In the last decade many countries, especially the most developed, have made substantial investments in technologies related to hydrogen and fuel cells, aiming to reduce greenhouse gas emissions and to increase energy security. In Brazil, the Federal Government through the Ministry of Science and Technology (MCT) has also made many investments in those areas, although there is no efficient mechanism to account those resources to enable strategic decisions in the sector. Therefore, this study aims to identify, classify and account the investments made by the public sector in Brazil in hydrogen and fuel cells from 1999 to 2007. Two methodologies were used to obtain the data for this study: Top-Down and Bottom-Up. The Top-Down methodology was used to obtain the information from the sponsoring agencies, institutions and funds that promote science and technology in Brazil, such as CNPq, FINEP, P&D ANEEL and Foundations for Research Support. The second methodology consisted in obtaining data directly from the research groups granted by those agencies. Questionnaires were sent to 68 research groups, but only 54% were answered. The results indicate that the research in Brazil is focused on hydrogen production from ethanol reforming and the development of PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) and SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Finally, the comparison performed among the BRIC countries (Brazil, Russia, India and China) indicated that Brazil invested 157 million reais or 70 million dollars, that corresponds to 55% of the amount invested by Russia or China alone. The comparison between the BRIC and the developed countries, showed that the BRIC's total investment from 2001 to 2007 has the same order of magnitude as the annual investments made by the United States, Japan or European Union alone. The results show that to improve its market share in equipment and services related to the hydrogen economy, Brazil will need to increase the efforts in research, development and innovation in the area. To achieve this, resources that are already available could be used more efficiently. As an example, the use of 57 million dollars or 31% of the contingency reserves of the CT-ENERG fund from 2001 to 2007 would be enough to equal the Brazilian investments with those made by Russia or China in the Hydrogen Economy. / Mestrado / Planejamento de Sistemas Energeticos / Mestre em Planejamento de Sistemas Energéticos

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Os eletrocatalisadores Pt/C, PtBi/C, PtRu/C e PtRuBi/C foram preparados a partir do método de redução via borohidreto de sódio e testados na oxidação eletroquímica de etanol. No método de redução via borohidreto, adiciona-se uma solução contendo hidróxido de sódio e borohidreto de sódio a uma mistura contendo água/2-propanol, precursores metálicos e o suporte de carbono Vulcan XC72. Neste trabalho também foi estudada a forma de adição da solução de borohidreto (adição gota a gota ou adição rápida). Os eletrocatalisadores obtidos foram caracterizados por espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDX), análise termogravimétrica (TGA), difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e voltametria cíclica. A eletro-oxidação do etanol foi estudada por voltametria cíclica e cronoamperometria utilizando a técnica do eletrodo de camada fina porosa. Os eletrocatalisadores obtidos foram avaliados em condições reais de operação em célula por meio de testes em células unitárias alimentadas diretamente por etanol. A dissolução de bismuto no eletrocatalisador PtRuBi/C foi avaliada pelas técnicas de voltametria cíclica, cronoamperometria e do eletrodo disco-anel. O eletrocatalisador PtRuBi/C aparentemente mostrou um bom desempenho para a eletro-oxidação do etanol, porém as evidencias experimentais indicam a dissolução do bismuto em meio ácido. / Pt/C, PtBi/C, PtRu/C and PtRuBi/C electrocatalysts were prepared by a borohydride reduction methodology and tested for ethanol oxidation. This methodology consists in mix a solution with sodium hydroxide and sodium borohydride to a mixture containing water/isopropyl alcohol, metallic precursors and the Vulcan XC 72 carbon support. It was studied the addition method of borohydride (drop by drop addition or rapid addition). The obtained electrocatalysts were characterized by energy dispersive X ray spectroscopy (EDX), thermogravimetric analysis (TGA), X ray diffraction (XRD), transmission electron microscope (TEM) and cyclic voltammetry. The ethanol electro-oxidation was studied by cyclic voltammetry and chronoamperometry using the thin porous coating technique. The electrocatalysts were tested in real conditions of operation by unit cell tests. The stability of PtRuBi/C electrocatalysts was evaluated by cyclic voltammetry, chronoamperometry using the ultra-thin porous coating technique and ring-disk electrode. The PtRuBi/C electrocatalyst apparently presented a good performance for ethanol electro-oxidation but experimental evidences showed accentuated bismuth dissolution.