Made available in DSpace on 2014-10-09T12:54:40Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:09:10Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Foi estudada a preparação de eletrocatalisadores PtRuNi/C (nanopartículas PtRuNi suportadas em carbono) pelo método da redução por álcool utilizando H2PtCl6.6H20, RuCl3.1,5H2O e NiCI2.6H2O como fonte de metais, etileno glicol como solvente e agente redutor e Carbón Vulcan XC72R como suporte. Os eletrocatalisadores obtidos foram caracterizados por análise de raios X por energia dispersiva (EDX), difração de raios X (XRD), microscopía eletrônica de transmissão (TEM) e voltametria cíclica (CV). A eletro-oxidação do metanol foi estudada por voltametria cíclica e cronoamperometria visando aplicação em células a combustível a metanol direto (DMFC). Inicialmente, os eletrocatalisadores PtRuNi/C (20% em massa de metais) foram preparados com uma razão atômica Pt:Ru:Ni de 50:40:10 em meio ácido e em meio alcalino (razão molar OHVmetais = 8) sendo que, neste caso, uma solução de KOH 1 mol L-1 foi adicionada ao meio reacional na proporção desejada. Para o material preparado em meio ácido foi observado apenas a redução dos íons Pt(IV) e Ru(lll), enquanto que os íons Ni(ll) permaneceram em solução. A redução dos íons Ni(ll) e sua incorporação nas nanopartículas metálicas ocorreu somente em meio alcalino. Neste caso observou-se uma estrutura cúbica de face centrada característica de Pt e suas ligas e também um menor tamanho de cristalito. Por outro lado, a quantidade de metais depositada no suporte de carbono foi de apenas 10%, Foi estudada também a variação da razão atômica Pt:Ru:Ni (70:20:10, 60:30:10, 50:40:10, 50:25:25, 50:10:40 e 40:30:30) utilizando uma razão molar OH-/metais = 8. Neste caso, os materiais obtidos apresentaram razões atômicas Pt:Ru:Ni semelhantes as razões nominais e um aumento da quantidade de metais (% massa) depositada no suporte de carbono foi observado com o aumento da quantidade de Ni presente nos eletrocatalisadores. No entanto, a deposição da quantidade total de metais no suporte de carbono não foi observada em nenhum caso. Nestas condições, o eletrocatalisador PtRuNi/C com razão atômica 50:40:10 apresentou-se o mais ativo na eletro-oxidação do metanol. Dessa forma, foi realizado um estudo do efeito da razão molar OH-/metais para o eletrocatalisador PtRuNi/C (50:40:10) visando a redução total dos íons metálicos, bem como, a deposição total das nanopartículas formadas no suporte de carbono. Para isso, a razão atômica OH-/ /metais foi variada entre 4 e 12. Observou-se que a redução dos íons Pt(IV) e Ru(lll) ocorreu em toda a faixa estudada, no entanto, a redução dos ions Ni(ll) só ocorreu a partir de uma razão molar OH-/metais igual a 6. Para valores OH- /metais entre 5 e 8 os tamanhos de cristalito apresentaram-se menores que 2 nm, enquanto que, para valores menores que 5 e maiores que 10 ocorreu um aumento nos tamanhos. Por outro lado, a deposição total de metais sobre o suporte só foi observada para valores OH-/metais menores que 6 onde a redução dos íons Ni(ll) não ocorreu. / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

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

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.

Neste trabalho descreve-se o estudo das reações de oxidação eletroquímica de metanol e etanol em catalisadores contendo platina (Pt) e Nióbio (Nb) suportados em carbono de alta área superficial. Os materiais estudados foram PtNb/C, Pt-Nb2O5(amorfo)/C e Pt-Nb2O5(cristalino) /C, utilizando-se como padrão para comparação o catalisador comercial Pt/C E-TEK 20 %. A caracterização física foi realizada com o auxílio das técnicas de Difração de Raios X (DRX), Espectroscopia por Energia Dispersiva de Raios X (EDX) e Espectroscopia de Absorção de Raios X (XAS). A partir dos picos de difração foi possível calcular o tamanho médio de cristalito e o parâmetro de rede das amostras estudadas. Os espectros de XAS na região de XANES sugerem que a Pt suportada sobre os óxidos de nióbio tem uma menor tendência a sofrer perda de densidade eletrônica na banda 5d. O comportamento eletroquímico dos catalisadores frente às reações de eletro-oxidação dos alcoóis foi avaliado através de voltametrias de varredura linear, voltametrias cíclicas e cronoamperometrias com o eletrodo de trabalho preparado com uma configuração de camada ultrafina. Os dois catalisadores contendo Pt suportada sobre os óxidos de nióbio apresentaram os melhores desempenhos na oxidação eletroquímica dos alcoóis, no entanto os três materiais estudados deslocaram o pico de oxidação de CO (ads) para menores valores de potencial em relação à Pt/C E-TEK 20 %. Experimentos de Espectroscopia de absorção na região do Infravermelho in situ com Transformada de Fourier (FTIR) foram realizados com o intuito de se identificar os adsorbatos formados durante a eletro-oxidação de etanol. A presença dos óxidos de nióbio não favorece significativamente à conversão de etanol a CO2, sendo os principais produtos da oxidação o acetaldeído e o ácido acético. Por fim foram realizados testes na célula a combustível unitária seguindo-se a mesma abordagem que nos estudos de camada ultrafina. / In this work, the methanol and ethanol electrochemical oxidation reactions are studied on platinum (Pt) and niobium (Nb) catalysts supported on high surface area carbon. The selected materials were PtNb/C, Pt-Nb2O5(amorphous) /C e Pt-Nb2O5(crystalline) /C, using as reference for comparison purposes the commercial catalyst 20% Pt-C E-TEK. The catalysts were physically characterized by X-Ray Diffraction (XRD), Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and X-ray Absorption Spectroscopy (XAS). The average crystal size and lattice parameters of the studied materials were assessed from the diffraction peaks. XAS spectra in the XANES region indicated that the supported platinum on the niobium oxide possesses a lower tendency to lose electronic density from the 5d band. The electrochemical performance of the different catalysts was evaluated by linear sweep voltammetry, cyclic voltammetry and chronoamperometry, using an ultra-thin layer electrode. The two catalysts containing platinum supported on the niobium oxide showed the best performances for the electrochemical oxidation of the alcohols, though the three studied materials displaced the CO (ads) oxidation peak for lower potential values compared to 20% E-TEK Pt/C. In situ Fourier Transform Infrared Absorption Spectroscopy (FTIR) experiments were carried out in order to identify the formed adsorbates during the ethanol electroxidation. The presence of the niobium oxides does not significantly favour the conversion of ethanol to CO2, being the main products of the oxidation acetaldehyde and acetic acid. Finally, fuel cell tests were carried out following the same procedure as in the case of the ultra-thin layer.

Este trabalho compreende estudos das reações de oxidação de hidrogênio na presença de CO em células unitárias do tipo Membrana Trocadora de Prótons e da reação de oxidação de álcoois em meio alcalino em superfícies monocristalinas. Estes dois temas têm como base a utilização de etanol como vetor energético renovável para o uso em dispositivos eletroquímicos conversores de energia, como as células a combustível. O estudo do efeito de temperatura sobre a tolerância ao CO durante a reação de oxidação de hidrogênio foi abordado sob a perspectiva dos diferentes processos de tolerância que ocorrem em materiais de Pt/C, PtRu/C e PtMo/C. Assim, foram utilizadas as técnicas de Microscopia Eletrônica por Transmissão, Espectroscopia por Dispersão de Energia de Raios X, Espectroscopia Fotoeletrônica por Raios X, Difração de Raios X e Espectroscopia de Absorção de Raios X in situ para a caracterização da composição química, estrutura cristalina e de ocupação eletrônica, ressaltando-se o desenvolvimento de uma célula espectro-eletroquímica com o propósito de obter a informação de XAS em um ambiente real de operação da célula, que permite avaliar o efeito da temperatura e do ambiente químico. Estes resultados foram analisados em conjunto com os perfis de polarização anódica, observando-se que o efeito da temperatura opera de maneira distinta sobre os diferentes processos de tolerância ao CO. Uma análise baseada no mecanismo de reação permitiu estimar os recobrimentos experimentais das espécies de H, CO e OH, essencial para compreender os processos que ocorrem nos ânodos de uma PEMFC alimentada com H2/CO. Por outro lado, os estudos da reação de oxidação de etanol em meio alcalino possibilitaram obter informações fundamentais para o entendimento do mecanismo da reação para este e outros álcoois. Este trabalho compreendeu a avaliação do efeito do cátion alcalino sobre a cinética de reação de oxidação de vários álcoois, em destaque no papel da acidez do álcool em conjunto com a presença de Li no efeito eletrocatalítico. Além de observar o papel da acidez dos álcoois e do solvente para a possível promoção do efeito catalítico decorrente de interações não-covalentes, este estudo possibilitou uma ampla análise baseada nas propriedades moleculares dos diferentes álcoois, calculadas por Teoria do Funcional da Densidade. Desta forma foi possível estabelecer uma correlação entre as propriedades dos orbitais de fronteira com a porção da molécula do álcool que irá reagir primeiro, além da diferença de energia entre o Highest Occupied Molecular Orbital - Lowest Unoccupied Molecular Orbital servir de descritor da reatividade sobre uma dada superfície. Foi identificado o papel da oxofilicidade do metal, verificando-se a existência de uma relação próxima entre a adsorção de OH e a de álcool. Por fim, resultados de caracterização do produto da reação por Espectroscopia no Infravermelho, em conjunto com as informações obtidas dos demais estudos, possibilitou propor um mecanismo da reação de oxidação aplicável a diversos álcoois. / This work comprises studies of the hydrogen oxidation reaction in the presence of CO in a Proton Exchange Membrane single-cells and the alcohol oxidation reaction in alkaline media on single crystal surfaces. These two themes are based on the use of ethanol as a renewable energy vector in electrochemical energy conversion devices, like fuel cells. The study of the effect of temperature over the CO tolerance during the hydrogen oxidation reaction was tackled with the perspective of the distinct tolerance processes that take place in Pt/C, PtRu/C and PtMo/C materials. Therefore, techniques such as Transmission Electron Microscopy, Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, X-ray Diffraction and in situ X-ray Absorption Spectroscopy were employed to characterize the catalysts chemical composition, crystalline structure and electronic occupancy, highlighting the development of a spectro-electrochemical cell with the purpose of obtaining the XAS information under a real operando fuel cell environment, thus allowing evaluations of the effects of temperature and distinct chemical environments. These results were analyzed along with anode polarization profiles, so to emphasize the distinct way that the temperature affects each CO tolerance process. A reaction mechanism analysis allowed estimating the H, CO and OH surface coverages, which are paramount to best understand the processes that take place in PEMFC anodes fed with H2/CO. On the other hand, the ethanol oxidation studies in alkaline media allowed obtaining fundamental information to understand the ethanol oxidation reaction mechanism. These studies comprised the evaluation of the alkali cation effect over the alcohol oxidation reaction kinetics, bringing to light the role of alcohol acidity together with Li to enhance the catalytic effect. Besides observing the acidity role of both alcohol and solvent towards the catalytic promotion resulting from non-covalent interactions, this study allowed a broader analysis based on the molecular properties of distinct alcohols, as calculated by Density Functional Theory. In this way, it was possible to establish a correlation between frontier orbital properties with the portion of the alcohol molecule reacting first, along with the identification of the Highest Occupied Molecular Orbital - Lowest Unoccupied Molecular Orbital energy difference serving as a reactivity descriptor over a given surface. The role of the metal surface oxophilicity was identified, and this evidenced a close relation between OH and alcohol adsorption properties. At last, results obtained from Infrared Spectroscopy so to identify the oxidation products were combined with the information gained from the other studies allowed to elaborate a mechanism for the alcohol oxidation reaction applicable to several distinct alcohols.

A cinética da reação de redução de oxigênio (RRO) foi estudada em eletrólito alcalino em diferentes eletrocatalisadores. As atividades eletrocatalíticas medidas experimentalmente em metais puros foram correlacionadas com propriedades eletrônicas do eletrocatalisador, como o centro em energia da banda d (εd). A RRO também foi investigada em Pt e Ag modificados pela formação de liga com outros metais de transição. Por fim, a RRO foi conduzida em diferentes óxidos de manganês sintetizados em laboratório, com o objetivo de se determinar a fase mais ativa e o mecanismo da reação nos diferentes óxidos. A atividade eletrocatalítica frente à RRO dos metais puros ou das monocamadas de platina suportadas em diferentes substratos metálicos monocristalinos apresentou uma dependência tipo “vulcão” em função da energia do centro da banda d do metal eletrocatalisador. Estes resultados indicam que tanto a quebra da ligação O-O como a hidrogenação dos intermediários reacionais têm que ser facilitados, de forma que a cinética das duas reações, as quais são aceleradas por propriedades antagônicas, seja otimizada. O ganho de atividade para a RRO observado para as ligas de Pt em relação à Pt pura foi associado à menor reatividade da Pt na ligas, o que leva à uma menor força da adsorção Pt-O- e, consequentemente, maior cinética de eletroredução dos intermediários oxigenados. A maior atividade das ligas de Ag comparada com a Ag pura foi atribuída à uma mais forte adsorção Ag-O-, o que resulta em maior cinética da quebra da ligação O-O. Os resultados para os diferentes óxidos de Mn mostraram que a ativação para a RRO é maior para os materiais com alto conteúdo de MnO2. A atividade eletrocatalítica dos óxidos de manganês foi associada com um mecanismo acoplado envolvendo uma mudança do estado de oxidação de Mn (IV) para Mn (III), com a transferência de elétrons do Mn (III) para o O2 adsorvido [], em processo via 2 elétrons, com subsequente reação de desproporcionamente do intermediário HO2-, recirculando O2 no sistema, tendendo à um mecanísmo global via 4 elétrons por molécula de O2. / The oxygen reduction reaction (ORR) was studied on electrodes formed by Pt monolayers deposited on different metallic substrates, and on carbon-supported electrocatalysts composed by PtM/C (M = V, Cr e Co) and AgPt/C alloys, and on different Mn oxides (Mn3O4/C, Mn2O3/C and MnO2/C) in alkaline electrolyte. The experimentally measured electrocatalytic activities of the different metal catalysts and of the Pt monolayers were plotted against the metal d-band center values (_d). In all cases, the electronic features of the metal electrocatalysts were used for understanding the catalytic activities, and trying to establish the electronic/ORR kinetics relationship. The XANES results for the PtM/C alloys at high electrode potentials have shown lower vacancy of the Pt 5d band compared to pure Pt/C, indicating lower Pt reactivity for adsorbates. The enhanced catalytic activity of Pt in the alloys was attributed to a faster electroreduction of oxygenated intermediates. For the AgPt/C alloys, the XANES results have shown a emptying of the Ag orbitals due to a charge transfer to Pt, and the increased activity of the Ag atoms was ascribed to an electronic effect induced by the presence of Pt, increasing the Ag-O adsorption strength For the manganese oxide materials, the XANES results indicated a chance of the Mn oxidation state as a function of the electrode potential, and higher electrocatalytic activity was observed for MnO2/C. This was explained based on the activation for the ORR, which is higher for the material with higher MnO2 contents and the occurrence of a mediation processes involving the reduction of Mn(IV) to Mn(III), followed by the electron transfer of Mn(III) to oxygen.

As Células a combustível são conversores de energia química em energia elétrica. As Células do tipo PEM que funcionam com metanol como combustível tem uma ampla variedade de aplicações. Os materiais utilizados como eletrocatalisadores nas células são responsáveis por uma grande parte do custo das mesmas. Outros problemas, que provocam diminuição da eficiência da célula, são a cinética lenta da reação de redução de oxigênio (RRO) e o potencialmisto gerado devido ao cruzamento de metanol através da membrana. Neste trabalho apresenta-se um estudo de catalisadores do tipo M-MxSy (M = Pt, Rh) para a RRO em meio ácido, com diferentes relações M:MxSy. Os materiais preparados a partir da modificação do método do ácido fórmico (MAF) com tiouréia (TU) foram caracterizados mediante XRD, XPS e XAS. Foi determinado mediante estas técnicas que os catalisadores consistem numa mistura de fases: Pt ou PtRh, PtS, RhxSy e PtS2. O efeito de um tratamento térmico em H2/Ar foi reduzir completamente o PtS2 e parcialmente o PtS. A fase de RhxSy mostrou ser mais estável nas condições do tratamento. Todos os materiais mostraram ter atividade para a RRO e alta seletividade na presença de metanol. Foi determinado que para que a RRO ocorra via 4 elétrons, deve haver sítios metálicos na superfície das nanopartículas. Determinou-se que os materiais contendo maior quantidade de fase MxSy podem ser ativados mediante tratamento térmico ou eletroquímico, melhorando a atividade catalítica frente a RRO e conservando a seletividade na presença de metanol. / Fuel cells are dispositives that convert chemical energy into electricity. The PEM fuel cell types that function with methanol as fuel have a wide variety of applications. The materials used as electrocatalysts in the cells are responsible for the major part of their cost. Other problems, that cause decrease in efficiency of the cell, are the slow kinetics of oxygen reduction reaction (ORR) and the mixed potential generated due to methanol crossover through the membrane. This thesis presents a study of M-MxSy-type catalysts (M = Pt, Rh) for the ORR in acid medium, with different M:MxSy ratios. The materials prepared from the modification of the formic acid method (FAM) with thiourea (TU) were characterized by XRD, XPS and XAS. It was determined by these techniques that the catalysts consist of a mixture of phases: Pt or PtRh, PtS, RhxSy and PtS2. The effect of heat treatment in H2/Ar atmosphere was to reduce PtS2 completely and PtS partially. The RhxSy phase proved to be more stable under the treatment conditions. All materials showed to have activity for the ORR and high selectivity in the presence of methanol. It was determined that for the ORR to occur via four electrons, there must be metallic sites at the surface of the nanoparticles. It was determined that the materials containing higher amount of MxSy phase can be activated by thermal or electrochemical treatment, improving the ORR catalytic activity and retaining the selectivity in the presence of methanol.

T* based La₀.₉Ln₀.₉Sr₀.₂CuO₄ (Ln = Sm & Gd) has been investigated as cathode material for intermediate temperature solid oxide fuel cell using Ce₀.₉Gd₀.₁O₁.₉₅ (GDC) and La₀.₉Sr₀.₁Ga₀.₈Mg₀.₂O₃-δ (LSGM-9182) as the electrolyte material. Both oxides crystallize in tetragonal P4/nmm symmetry. The structural and phase stability has been confirmed up to 800 °C by High temperature XRD studies. The coefficient of thermal expansion (CTE) and oxygen content decrease with decreasing size of the Ln³+ ions from Ln = Sm to Gd. While the decrease in CTE is due to the increasing co-valence of the Ln–O bond, the decrease in electrical conductivity at high temperature is due to the increasing oxide ion vacancies and a bending of the O–Cu–O bonds. The highest value of DC conductivity has been observed for the LSSCu, which showed a metal like temperature dependence. LGSCu showed a semiconductor to metallic temperature dependence of conductivity with a maximum of 25 Scm-¹. From the microstructural characterization and the polarisation resistance measurement of the symmetric cells at temperature ranges from 700 - 800 °C, 900 °C has been chosen as the most suitable sintering temperature and LGSCu has shown the minimum polarization resistance of 0.35 Ωcm² and 0.09 Ωcm² at 800 °C using GDC and LSGM-9182 electrolytes respectively under OCV condition. To improve the ASR of LGSCu, the composite of LGSCu and GDC with varying wt. % of GDC has been optimised and it shows the ASR of 0.12 Ωcm² using GDC as the electrolyte because it enhance the triple phase boundary region. The maximum power density of single-cell SOFCs fabricated with the La₀.₉Ln₀.₉Sr₀.₂CuO₄ (Ln= Sm & Gd) cathodes, La₀.₉Sr₀.₁Ga₀.₈Mg₀.₂O₃-δ (LSGM-9182) electrolyte, and Ni–Ce₀.₉Gd₀.₁O₁.₉₅ cermet anode exhibit 720 and 824 mWcm-² at 800 °C respectively. The phase pure T* Nd₁.₃₂Ce₀.27Sr₀.₄₁CuO₄-δ (NCSCu) has been synthesized by combustion method and its crystal chemistry, thermal and electrochemical properties, and catalytic activity in SOFC were evaluated using LSGM-9182 as the electrolyte. It shows promising performance and can be used as potential cathode materials for IT-SOFC. The effect of B-site Ni and Co substitution for Cu on the structural and electrochemical properties of the T* La₀.₉Gd₀.₉Sr₀.₂CuO₄ has been investigated as cathode materials for intermediate temperature solid oxide fuel cells using LSGM-9182 as the electrolyte. At a given temperature, the electrical conductivity gradually increases with increasing Ni content and the CTE gradually decreases. Ni doping has also improved the electrochemical performance. Sr doped A /A //B₂O₅+δ (A / = Rare Earth, A // = Ba or Sr and B = Transition Metals) layered perovskites improves the electrochemical performance due to the increase in electrical conductivity and smaller size difference between Ln+³ and Sr+². However these layered perovskites suffer from high thermal expansion coefficient (20-23 x 10-6 K-1) which does not match with the state of the art electrolyte materials. B-site transition metal doped layered perovskites of compositions SmBa₀.₅Sr₀.₅Co₂-ₓO₅+δ (M = Cu, Ni, Fe) have been investigated as cathode material for intermediate temperature solid oxide fuel cell using LSGM-9182 as the electrolyte material. Phase purity has been confirmed by XRD technique. The crystal cell parameters have been found out using Rietveld refinement by FULLPROF software. The substitution of Cu, Ni and Fe for Co lowers the CTE of Co-based materials by suppression of the spin state transition of Co³+ which will be highly advantageous for long term SOFC application. The introduction of transition metals exhibit inferior electrochemical performance to pristine cathode using LSGM-9182 as the electrolyte but still shows reasonable power density with advantage of lower CTE value thereby can be explored as promising cathode material for IT-SOFCs.

This report is the result of a master’s thesis project which covers the cooling system in Volvo Cars’ fuel cell test vehicle. The purpose is to investigate if the existing cooling system in the fuel cell test vehicle works with the current fuel cell system of the vehicle, in terms of sufficient heat rejection and thus sustaining acceptable temperature levels for the fuel cell system. The project also aims to investigate if it is possible to implement a more powerful fuel cell system in the vehicle and keep the existing cooling system, with only a few necessary modifications. If improvements in the cooling system are needed, the goal is to suggest improvements on how a suitable cooling system can be accomplished. This was carried out by modeling the cooling system in the simulation software GT-Suite. Then both steady state and transient simulations were performed. It was found that the cooling system is capable of providing sufficient heat rejection for the current fuel cell system, even at demanding driving conditions up to ambient temperatures of at least 45°C. Further, for the more powerful fuel cell system the cooling system can only sustain sufficient heat rejection for less demanding driving conditions, hence it was concluded that improvements were needed. The following improvements are suggested: Increase air mass flow rate through the radiator, increase pump performance and remove the heat exchanger in the cooling system. If these improvements were combined it was found that the cooling system could sustain sufficient heat rejection, for the more powerful fuel cell system, up to the ambient temperature of 32°C.