Mixed ionic electronic conductors (MIEC) have gained importance recently due to their roles in energy conversion devices such as solid oxide fuel cells (SOFC). Recent experimental data have shown that an increased vacancy concentration in a MIEC changes its elastic modulus and causes volumetric expansion. Since the MIEC in a device is constrained mechanically, the volumetric changes can induce substantial mechanical stresses. Such stresses not only lead to premature failure but can also alter the electrochemical performance of the device. In order to fully understand the interactions between stresses and defect transport a coupled theory is needed. This thesis develops a framework to study stress-defect transport interactions. The framework is based on a proper construction of the stress dependent electrochemical potential by introducing two material properties, namely the coefficient of chemical expansion (CCE) and the open system elastic constants (OSEC). The CCE characterizes the strains due to non-stoichiometry while the OSEC represents the stoichiometry dependent elastic stiffness. In this work these parameters are determined using atomistic simulations. The system of equations that govern the coupled electrochemical and mechanical fields is solved using a combination of numerical and analytical techniques. The developed solutions are analyzed to provide insights into the nature and the extent of the interactions. It is found that the non-stoichiometry-induced stress is in the same order of magnitude or even higher than that induced by thermal mismatch in a typical SOFC. In the vicinity of material flaws (cracks, voids, etc.), such stresses are further intensified which may cause fracture of the MIEC. In addition, non-stoichiometry-induced stresses can significantly alter the distribution of point defects, thus affecting the electrochemical performance of the ionic device. Furthermore, the non-stoichiometry induced stresses increases the thickness of the surface charge layer. The thermodynamic framework and the computational algorithms developed in this work provides effective methodologies and tools to analyze stress-defect transport interactions in ionic solids for designing and reliability analysis of ionic devices such as fuel cells, oxygen pumps, chemical sensors, etc.

An important challenge for PEMFC is stability and durability of the membrane separator. In this dissertation, we applied both experimental and modeling methods to investigate the chemical durability of PFSA membranes for fuel-cell applications. Degradation data were collected after Fenton's tests and the membrane samples were analyzed by XPS after Fenton's test; FTIR was also invoked to validate the XPS results. The effects of Fe2+ concentration and temperature on membrane degradation were discussed. The experimental results provide evidence of chemical attack of the CF2 backbone. Since the level of H2O2 was found to be key to membrane degradation, we designed a novel spectrophotometric method to quantitatively determine H2O2 concentration in a fuel cell by using a multilayer MEA. In addition, a model for H2O2 formation, transport, and reaction in PEMFCs is established for the first time to validate experimental data and study formation mechanism. The humidity effect on membrane degradation was studied by collecting vent water during the tests. The membrane conductivities and mechanical properties were measured by ex-situ high-throughput instruments. FTIR was applied to study both the formation of new groups and the relative abundance of existing groups in the degraded membrane. The thermal stability of degraded membranes was determined by TGA. The cross section of a degraded MEA sample was imaged with SEM to investigate the mechanical structure change. The effect of temperature on membrane degradation was also investigated. XPS spectra were collected from both anode and cathode sides of fuel-cell membrane to compare the effect of temperature on each side. Atomic analysis was performed to study the impact of temperature on both backbone decomposition and side group degradation. A multilayer MEA was used to study the effects of location and thickness on membrane degradation. An improved kinetic model of membrane degradation was built to simulate the experimental data. Finally, an attempt to mitigate membrane degradation by using peroxide decomposition reagent was performed. OCV curves were recorded during two fuel-cell durability tests with and without the addition of this additive. Both FER and TER were compared. Recommendations for the improvement of peroxide decomposition additive were suggested.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:28:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:57:29Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

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Made available in DSpace on 2014-10-09T12:26:29Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:04:32Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

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Made available in DSpace on 2014-10-09T12:55:01Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:05:59Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:28:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:57:29Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Este trabalho teve como objetivo sintetizar eletrólitos híbridos de Nafion-TiO2 e eletrocatalisadores de PtSn/C para a aplicação em células a combustível de oxidação direta de etanol (DEFC) em alta temperatura (130oC). Para tanto, partículas de TiO2 foram incorporadas in-situ em membranas comerciais de Nafion via processo sol-gel. Os materiais resultantes foram caracterizados por análise gravimétrica, absorção de água, DSC, DRX e EDX. Eletrocatalisadores baseados em platina-estanho dispersos em carbono (PtSn/C), de diferentes composições, foram produzidos pelo método de redução por álcool e utilizados como eletrodos anódicos. Os eletrocatalisadores foram caracterizados por DRX, EDX, XPS e MET. A avaliação eletroquímica dos eletrocatalisadores foi realizada por voltametria cíclica, varredura linear anódica de monóxido de carbono (stripping de CO) e cronoamperometria. Ânodos de PtSn/C e cátodos de Pt/C comercial foram dispostos juntamente com os híbridos Nafion-TiO2 para a formação do conjuntos membrana-eletrodos. A avaliação final dos materiais foi realizada por meios de curvas de polarização em células unitárias alimentadas com misturas padrão H2/CO ou etanol no ânodo e com oxigênio no cátodo no intervalo de temperatura de 80 a 130oC. As análises demonstraram que o uso de membranas híbridas diminuiu o crossover de combustível, melhorando o desempenho da célula e que o eletrocatalisador PtSn/C 70:30, produzido pelo método de redução por álcool, foi o que demonstrou melhor desempenho para oxidação de etanol. / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:53:44Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:58:46Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / A tecnologia de células a combustível associada à crescente exigência de baixo impacto ambiental tornou-se bastante promissora no cenário mundial de energia. As células a combustível são, em princípio, dispositivos que convertem energia química diretamente em energia elétrica e térmica, possuindo, entretanto, uma operação contínua, graças à alimentação constante de um combustível. Particularmente, o negro de fumo Vulcan XC72 é usualmente empregado como suporte dos eletrocatalisadores, e alguns fatores como uma superfície acessível e área superficial suficientemente grande para uma máxima dispersão dos cristalitos dos eletrocatalisadores, além de tamanho dos poros, distribuição dos poros adequada e a presença de grupos funcionais na superfície do negro de fumo são considerados fundamentais para o desenvolvimento de materiais inovadores. Entretanto, o material denominado Vulcan XC72 ainda revela condições insuficientes para este fim. Este estudo consiste na preparação e caracterização físico-química de carbono funcionalizado por peróxido de hidrogênio e com cadeias poliméricas do tipo poliestireno sulfonado condutoras de prótons, visando sua posterior utilização como suporte de eletrocatalisadores para células a combustível tipo PEMFC e DMFC. Após a funcionalização do carbono, obteve-se uma melhora da dispersibilidade do negro de fumo em solução aquosa, efeito este benéfico para a preparação dos eletrocatalisadores. Observou-se também que os grupos funcionais e as cadeias poliméricas funcionaram como estabilizadores do crescimento dos cristalitos produzindo catalisadores mais homogêneos e com menor diâmetro médio dos cristalitos; e especialmente, no caso da funcionalização com cadeias poliméricas, obteve-se uma diminuição da queda ôhmica do sistema, referente à melhoria da transferência protônica. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:26:29Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:04:32Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo numérico computacional e respectiva metodologia para estudo e projeto de células a combustível a membrana polimérica trocadora de prótons PEM. Para a validação dos resultados experimentais, descreveu-se uma seqüência de rotinas de programação, adequadas ao ajuste dos dados obtidos em laboratório. Com relação à implementação computacional criou-se uma estratégia inovadora de acoplamento com dois modelos tridimensionais, de forma a satisfazer as exigências do modelo completo de célula a combustível, comportando suas diversas geometrias e materiais, assim como os diversos processos físicoquímicos simulados. Com a finalidade de avaliação eficaz da analogia da célula real com o modelo numérico, foram realizados estudos numéricos, comparações com valores obtidos na literatura, caracterização de variáveis por meio de experimentos laboratoriais e estimativas com base em modelos já estudados na literatura. Para a parte experimental, um protótipo de célula a combustível unitária de 144 cm2 de área geométrica foi projetado, produzido e operado em bancada com a finalidade de validação do modelo numérico computacional proposto, apresentando resultados positivos. Os resultados das simulações para as geometrias 2D e 3D propostas são apresentados em forma de curvas de polarização, destacando o modelo de camada catalítica baseado na geometria de aglomerados. Estudos paramétricos e de sensibilidade são apresentados como ilustração da variação do desempenho da célula a combustível estudada. O modelo final é robusto e útil como ferramenta de projeto e otimização de células tipo PEM em uma ampla faixa de condições de operação. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP