Thesis submitted in partial fulfilment of the requirements for the degree Magister Technologiae: Electrical Engineering in the Faculty of Engineering at the Cape Peninsula University of Technology 2008 / Fuel cell technology is an emerging technology that provides a highly efficient, quiet operation, reliable, and environmentally friendly energy conversion system for stationary, automobile (vehicle), and portable applications. An electrochemical process combines hydrogen fuel and oxygen from air to produce water, and in the process it produces electricity and heat. Fuel cell stationary applications which include residential, office buildings, hospitals, hotels, airports and others have received greater attention for their ability to utilize the heat generated for space and water heating. This combined heat and power (CHP) process increases the energy conversion efficiency greatly which in turn save cost of energy usage. Different power converter topologies for fuel cell systems residential applications are presented in this thesis for efficiency, cost, component count, input ripple current minimization technique, reliability for comparison analysis. The commercial feasibility of fuel cells rests on the cost of the fuel cell system and operating efficiency and fuel cost. The proposed power converter topology consists of two front end DC-DC converters. The first front-end DC-Dc converter is tightly controlled while the second is a full bridge four interleaved DC-DC converters. Advantages of the proposed topology are reduced input ripple current, high efficiency, low maintenance cost, smaller size, modularity, redundancy. Design overview as well as simulation results are presented. Fuel cell simulation test results, including transient response are displayed and analyzed. The concept of interleaving of multiple units of the De-De converter is proposed. Interleaving enables paralleling multiple units of the converters to achieve a high combined power. This results in using semiconductor power devices of lower current rating, lowering sizes of input and output capacitors and reducing the output ripples. Simulations results are presented that verify the concept of interleaving. Preliminary work to implement interleaving is presented, and future work is recommended.

Thesis (MTech (Chemical Engineering))--Cape Peninsula University of Technology, 2017. / Hydrogen is widely regarded as the clean energy carrier for future use in both transportation and electricity sectors. It has become an important new focus as an alternative fuel for cleaner energy technologies especially in the Polymer Exchange Membranes (PEM) fuel cells. However, specific technical and marketing demands must be met by a fuel processor for ultra-pure hydrogen production and at a very competitive cost. Liquid Petroleum gas (LPG) is seen as a potential source for low cost hydrogen production due to its relatively high energy density, easy storage and well-established infrastructure for fuel. There is a growing interest in the use of membrane in reaction engineering with the selective separation of the products from the reaction mixture provided opportunities to achieve higher conversion. Membrane separation technologies have potential to reduce operating costs, minimise unit operations and lower energy consumption. The overall goal of this project is to investigate the engineering feasibility associated performance of employing a palladium or palladium alloy membrane reactor for the production of ultra-pure hydrogen from the products of a liquefied petroleum gas (LPG) pre-reformer in determining the optimal process conditions for the production of high purity hydrogen from the LPG feedstock and evaluating of the performance of a Pd-based membrane in relation to maximizing the yield of hydrogen from the feedstock as well as minimizing the CO content of the reformate.

Orientador: José Alexandre Matelli / Banca: Celso Eduardo Tuna / Banca: Amir Antônio Martins Oliveira Júnior / Resumo: O uso de células combustível de baixa temperatura embarcadas em aeronaves pode favorecer a geração de energia elétrica sem maiores impactos ambientais. Se, por um lado, o projeto de aeronaves atuais requer o uso de sistemas dedicados, por outro há uma maior demanda de energia elétrica a bordo. Isto significa que a pressurização da cabine, o sistema anti-gelo e a hidráulica da aeronave não devem depender da extração de ar do compressor das turbinas ou da potência de eixo. Entretanto, células combustível a hidrogênio apresentam dificuldades aos projetistas devido aos tanques de armazenamento, componentes em alta pressão e altas temperaturas para a reforma. Neste contexto, as células-combustível a etanol direto são uma tecnologia promissora. Publicações recentes mostram que, devido à baixa eficiência, células a etanol líquido em eletrólitos de membrana polimérica produzem calor residual. Conforme o Diagrama de Sankey obtido neste trabalho, 68% da energia total do combustível é convertida em calor, que deve ser gerenciado para evitar o ressecamento da membrana e o colapso do sistema. No presente trabalho um arranjo teórico de células a etanol direto é estudado. A metodologia leva em conta as demandas de energia de uma aeronave a jato de transporte regional em cada etapa do voo (táxi, decolagem, cruzeiro, descida e pouso). O trabalho apresenta uma contribuição inédita pela análise exergética do arranjo, que fornece um bom critério para a melhor escolha entre um sistema de cogeração ou recuperação de calor a bordo. Em um sistema otimizado, o calor residual pode ser utilizado no aquecimento de cabine ou aquecimento do combustível da aeronave. São apresentadas algumas estimativas de capacidade de aquecimento do combustível e da produção de água aquecida. A metodologia pode auxiliar ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: he use of low temperature fuel cell stacks onboard aircrafts may provide a good way to generate electricity with less environment impact. Nowadays, the design of jet aircrafts requires embedded systems, which demand more electric power. This means that cabin air pressure, anti-icing and hydraulics should not depend on the engine bleed air or shaft power. However, hydrogen fuel cells pose difficulties for aircraft designers due to the storage tanks, high pressure systems and high temperatures for reforming. In this context, direct ethanol polimeric fuel cells are a promising technology. Recent publications show that the low efficiency of liquid ethanol in polymeric electrolyte produces waste heat. According to the Sankey Diagram obtained, 68% of the total input energy is heat that must be managed to avoid electrolyte drying and system collapse. In this article, a theoretical direct ethanol fuel cell stack is studied. The methodology takes into account the energy demands of a regional jet for each flight regime (start up, taxi, take off, cruise, descend and landing). It provides an unprecedented exergetic analysis that points out a good hint to choose between cogeneration or heat recovery onboard aircraft. The waste heat may be recovered for cabin and aircraft fuel heating in an optimized system. Some predictions for aircraft fuel heating capacity and water production are also presented. The methodology may help designers to decide which configuration is more appropriate (whether use heat recovery for cabin heating or a pure electric fuel cell stack) for the aircraft mission sought / Mestre

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.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:52:48Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:02:37Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / As Pilhas a Combustível estão cada vez mais atraindo o interesse como dispositivos de conversão de energia eficientes e, principalmente limpos. O Hidrogênio que alimenta as Pilhas a Combustível, deve ser gerado também de forma eficiente e limpa. Este trabalho utiliza a metodologia Delphi para Previsão Tecnológica aplicada ao assunto Geração de Hidrogênio, identificando os métodos que mais provavelmente serão utilizados no futuro para obtermos Hidrogênio aqui no Brasil. O método Delphi consiste na aplicação de um questionário a um grupo de especialistas na área em estudo. Foi elaborado um questionário contendo 10 questões direcionados ao assunto Produção de Hidrogênio para utilização em Pilhas a Combustível. Este questionário foi enviado a 677 pesquisadores através do correio eletrônico e obtivemos um retorno de 115 respostas que foram tabuladas e receberam um tratamento estatístico. Estes dados foram reenviados aos respondentes do questionário para uma avaliação de suas respostas e uma possível alteração. Após o ciclo de avaliações obtivemos os resultados finais que foram novamente tabulados e tratados estatisticamente. Através da análise destes dados chegamos aos métodos mais prováveis de produção de hidrogênio que serão utilizados no futuro, se vier a ser utilizado em larga escala. / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:26:25Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:04:27Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Os eletrocatalisadores PtRh/C, PtRu/C, PtSn/C, PtRuRh/C e PtSnRh/C (20% em massa de metais) foram preparados pelo método da redução por álcool usando H2PtCl6.6H2O (Aldrich), RhCl3.xH2O (Aldrich) e SnCl2.2H2O (Aldrich) como fonte de metais e o carbono Vulcan XC-72 como suporte. Os eletrocatalisadores foram caracterizados pelas técnicas de EDX, difração de raios X e voltametria cíclica. A eletro-oxidação do metanol e do etanol foram estudadas através das técnicas de voltametria cíclica, cronoamperometria e curvas de polarização obtidas em células a combustível unitárias alimentadas diretamente por metanol ou etanol. As análises por EDX mostraram que as razões atômicas dos diferentes eletrocatalisadores preparados pelo método da redução do álcool são bastante similares às composições nominais de partida. Em todos os difratogramas para os eletrocatalisadores preparados observa-se um pico largo em aproximadamente 2 = 25o o qual é associado ao suporte de carbono e quatro outros picos de difração em aproximadamente 2 = 40o, 47o, 67o e 82o os quais são associados aos planos (111), (200), (220) e (311), respectivamente, da estrutura cúbica de face centrada (CFC) de platina e ligas de platina. PtSn/C e PtSnRh/C além da estrutura cúbica de face centrada apresentaram também fases de óxidos de estanho em 2 = 34o. PtSn/C e PtSnRh/C apresentaram os melhores resultados para o etanol a temperatura ambiente, enquanto que para a eletro-oxidação do metanol os sistemas PtRu/C, PtSn/C e PtRuRh/C apresentaram os melhores resultados. Os testes em células a combustível para o etanol mostraram que o sistema PtSnRh/C foi mais ativo em relação ao sistema PtSn/C. No caso do metanol PtRuRh/C apresenta um desempenho ligeiramente superior ao sistema PtRu/C e PtSn/C. / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:27:53Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:04:48Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / A amônia presente em galpões fechados de criação de frangos afeta a saúde tanto dos animais como dos tratadores, além de ser um grave problema ambiental. O processo aqui recomendado faz uso de um material com grande capacidade de retenção tanto da amônia gasosa como na forma de seu hidróxido, NH4OH. Este absorvedor, um trocador catiônico sólido, preparado para a retenção seletiva da amônia, é inodoro, insípido e atóxico. Uma vez saturado com amônia, passa por um tratamento químico para a remoção deste composto, podendo ser reutilizado muitas vezes sem perda de sua capacidade retentora, tornando o processo mais econômico. A remoção deste material pode-se dar na forma de um sal de amônio que poderá ser utilizado como fertilizante. Ressalta-se ainda que a amônia recuperada nestes galpões avícolas, quando submetida a uma decomposição térmica catalítica, gera hidrogênio para uso em células a combustível, podendo fornecer energia elétrica no próprio local do trabalho. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:32:59Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:06:11Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Estudos recentes demonstram que o sistema cerâmico zircônia-escândia-céria (ScCeSZ) apresenta-se promissor para aplicações como eletrólito sólido em células a combustível de óxido sólido de temperaturas intermediárias de operação (600 a 800 °C). Neste trabalho, foi realizada a sinterização convencional, de duas etapas e assistida por campo elétrico do ZrO2 contendo 10% em mol de Sc2O3 e 1% em mol de CeO2 comercializado pela Fuel Cell Materials visando melhorar a densificação com reduzido tamanho médio de grãos. A condutividade elétrica de amostras densas de ScCeSZ sinterizadas pelos diferentes métodos foi investigada por espectroscopia de impedância. Diferentes condições de sinterização foram analisadas. A taxa de retração dos compactos é máxima a 1180 °C, determinada pela análise de dilatometria. Foi confirmado por difração de raios X que a adição de céria à zircônia-escândia promove a estabilização da fase cúbica à temperatura ambiente. No entanto, dependendo das condições de sinterização pode haver a formação de fases secundárias, as quais foram detectadas por difração de raios X e espectroscopia Raman. A sinterização assistida por campo elétrico promoveu a formação das fases cúbica e tetragonal. Considerando os métodos convencional e de duas etapas, para a obtenção do material cúbico monofásico é necessária uma seleção cuidadosa das condições de sinterização. Os valores de condutividade elétrica estão de acordo com as condutividades do ScCeSZ reportadas na literatura. / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:41:45Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:08:41Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Os eletrocatalisadores PtRh (50:50)/85% C + 15% CeO2, PtRh (90:10)/ 85% C + 15% CeO2, PtSn (50:50)/ 85% C + 15% CeO2 e PtSnRh/85% C + 15% CeO2 Todos os eletrocatalisadores foram caracterizados físico-quimicamente pelas técnicas de difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). Por meio das análises de DRX foi observada a presença a estrutura cúbica de face centrada típica de platina e suas ligas, além de uma fase de SnO, em diferentes composições atômicas, foram preparados pelo método da redução por álcool para serem testados nos estudos de oxidação eletroquímica de etanol. 2 para os eletrocatalisadores de PtSn/85% C + 15% CeO2 e PtSnRh/85% C + 15% CeO2. A MET permitiu a observação de uma distribuição relativamente homogênea das partículas, cujos tamanhos médios variaram de 2,5 a 3 nm, no suporte de C + CeO2 As caracterizações eletroquímicas foram realizadas por meio das técnicas de voltametria cíclica (VC) e cronoamperometria (CA). As medições foram feitas à temperatura ambiente e à 50°C, e a técnica de preparo do eletrodo de trabalho foi a de camada fina porosa. . O eletrocatalisador PtSnRh (50:45:5)/ 85% C + 15% CeO2 Na síntese do eletrocatalisador de PtSnRh (50:45:5)/ 85% C + 15% CeO apresentou o melhor desempenho para a oxidação do etanol de acordo com as técnicas eletroquímicas utilizadas, bem como pelos estudos em condições reais de operação em células a combustível alimentadas diretamente por etanol. 2 Estudos com a técnica de infravermelho confirmaram que a oxidação do etanol ocorreu de forma incompleta para os eletrocatalisadores ternários de PtSnRh (50:45:5)/ 85% C + 15% CeOa ordem de adição dos metais foi feita de duas maneiras distintas. O estanho adicionado numa primeira etapa seguida pela adição de PtRh mostrou ser a forma que resultou em maior atividade para a oxidação do etanol. 2 e PtSnRh (50:45:5)/C. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:53:53Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:09:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 12641.pdf: 5742514 bytes, checksum: 8dbb5287cf99fe54ebb95b5b3406a880 (MD5) / A fabricação e a caracterização de eletrólitos compósitos Nafion - TiO2, e seu uso em células PEM (Proton Exchange Membrane) operando em temperaturas elevadas (~ 130 ºC) foram estudados. A operação em altas temperaturas da célula PEM traz benefícios, como o aumento da cinética das reações eletródicas, o aumento da cinética de transporte difusional nos eletrodos e o aumento da tolerância da célula ao contaminante monóxido de carbono. O Nafion ®, eletrólito polimérico comumente empregado em células PEM, possui condutividade elétrica dependente da quantidade de água contida em sua estrutura. Desta forma, o aumento da temperatura de operação da célula acima de 100 ºC causa a desidratação do polímero diminuindo acentuadamente sua condutividade elétrica. Para aumentar o desempenho dos eletrólitos operando em altas temperaturas, eletrólitos compósitos (Nafion-TiO2) foram preparados pelo método de conformação por evaporação em molde. A adição de partículas higroscópicas de titânia (TiO2) na matriz polimérica visa melhorar as condições de umidificação do eletrólito em temperaturas elevadas. Três tipos de partículas de titânia com diferentes áreas de superfície específica e formas distintas foram investigados. Compósitos à base de Nafion com adição de 2,5 a 15% em massa de partículas de titânia com forma aproximadamente esférica e com área de superfície específica de até ~115 m2g-1 apresentaram maiores valores da temperatura de transição vítrea do que o polímero. Este aumento melhora a estabilidade do eletrólito durante a operação de células a combustível PEM em 130 ºC. Os compósitos formados a partir da adição de nanotubos derivados de titânia apresentaram pronunciado ganho de desempenho e maior estabilidade térmica em operação de células acima de 100 ºC. Neste caso, a elevada área superficial e a forma dos nanotubos de titânia contribuíram significativamente para o aumento da absorção e da retenção de água do compósito. Por outro lado, as curvas de polarização mostraram um aumento na polarização por queda ôhmica com o aumento da concentração das partículas cerâmicas adicionadas. A morfologia do polímero não foi alterada com a adição de partículas inorgânicas, portanto, o desempenho dos compósitos reflete uma competição entre a adição de uma fase isolante, que diminui a condutividade elétrica, e o aumento da estabilidade térmica ou da retenção de água do compósito. Os eletrólitos compósitos testados provaram serem promissores na aplicação em células PEM em temperaturas acima de 100 ºC. / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP