Made available in DSpace on 2014-10-09T12:27:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:07:28Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Energia é um recurso que historicamente apresenta tendência de crescimento de demanda. Projeções indicam que, para suprir as necessidades energéticas do futuro, será necessário um uso massivo do hidrogênio como combustível. O uso de sistemas de célula a combustível baseada no uso de membrana polimérica condutora de prótons (PEMFC) tem características que permitem sua aplicação para geração de energia elétrica em aplicações estacionárias, automotivas e portáteis. O uso de hidrogênio como combustível para PEMFC apresenta a vantagem de resultar em baixa emissão de poluentes quando comparado às dos combustíveis fósseis. Para que ocorram as reações em uma PEMFC é necessária a construção de conjuntos eletrodo-membrana-eletrodo (MEA), sendo o processo de produção de MEAs e os materiais utilizados, relevantes no custo final do kW instalado para geração de energia por sistemas de célula a combustível, o que é, atualmente, uma barreira tecnológica e financeira para a aplicação em grande escala desta tecnologia. Nesse trabalho foi desenvolvido um processo de produção de MEAs por impressão a tela que apresenta alta reprodutibilidade, rapidez e baixo custo. Foram desenvolvidos o processo de impressão a tela e a composição de uma tinta precursora da camada catalisadora (TPCC), que permitem o preparo de eletrodos para confecção de MEAs com a aplicação da massa exata de eletrocatalisador adequada para cátodos 0,6 miligramas de platina por centímetro quadrados (mgPt.cm-2) e ânodos 0,4 mgPt.cm-2 em apenas uma aplicação por eletrodo. A TPCC foi desenvolvida, produzida, aplicada e caracterizada, apresentando características semelhantes a de tintas de impressão a tela para outras aplicações. Os MEAs produzidos apresentaram desempenho de até 712 mA.cm-2 a 600 mV para MEAs de 25 cm2 e o custo para produção de MEAs de 247,86 cm2 capazes de gerar 1 kW de energia foi estimado em R$ 13.939,45, considerando custo de equipamentos, materiais e mão de obra. / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:48:00Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:08:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 09456.pdf: 3940202 bytes, checksum: 8895f4966c478c7c74ec7fe4b9a8cd24 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:53:55Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:09:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Este trabalho apresenta resultados de estudos e caracterizações de Conjuntos Eletrodo/Membrana (MEAs) de Células a Combustível a Membrana Polimérica (PEMFC). Algumas condições de operação de células e diferentes processos de produção de MEA foram investigados. A técnica de Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIE) (em situ - 0 a 16 A) foi usada \"on-line\" como uma ferramenta de diagnóstico, relativa ao desempenho de célula. As medidas de EIE foram feitas através do Sistema de EIE para células a combustível FC350 (GAMRY), junto a um PC4 Potentiostato/Galvanostato e conectado à carga dinâmica (TDI) para experimentos de EIE \"on-line\" (100 mHz - 10 kHz, dU = 5 mV). MEAs com 25 cm2 de área ativa, usando eletrocatalisadores PtM/C 20 % (M = Ru, Sn ou Ni) fabricados usando o Método de Redução por Álcool (MRA). A tinta catalítica foi diretamente aplicada no Tecido de Carbono (GDL) e este prensado na membrana de Nafion® (105). MEAs usando eletrocatalisadores Pt/C e PtRu/C 20 % da E-TEK foram fabricados para comparação. Todos os cátodos foram confeccionados com Pt/C 20% da E-TEK. Foram fixadas as concentrações de metal nobre em 0,4 mg Pt.cm-2 no anodo e 0,6 mg Pt.cm-2 no catodo (E-TEK). Diagramas de Nyquist dos MEAs com Pt/C e PtRu/C da E-TEK ou PtM/C MRA apresentaram as mesmas resistências de ôhmicas para os MEAs. Este fato pode ser explicado por supressão de aglomerados durante o processo de preparação do MEA ou pela homogeneidade do eletrocatalisador ancorado ao carbono. Também pôde ser observado, a baixas densidades atuais que há uma diferença de desempenho significante entre o eletrocatalisadores da ETEK e os preparados pelo MRA. Os resultados das curvas de polarização confirmaram que PtM/C MRA apresentara um aumento de atividade para as células alimentadas com metanol e etanol. A técnica de EIE se mostrou eficiente para a avaliação do método de preparação dos MEAs e do desempenho da célula, os resultados de EIE mostraram uma coerência na escolha do modelo do circuito elétrico para os MEAs utilizando hidrogênio, metanol e etanol. Esta coerência indica que outras resistências não consideradas no modelo não são relevantes na resistência total dos MEAs. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP / FAPESP:03/08041-6

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:26:13Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:09:47Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / A enxertia induzida por radiação do polietileno (PE) e estireno (ST), via fonte de 60 Co foi conduzida usando irradiação direta (simultânea) e indireta (pré- irradiação e peroxidação) á temperatura ambiente. As doses irradiadas, em ambos os caso, foi de 0,5 kGy até 80 kGy. Pelo método da irradiação simultânea, os filmes foram imersos em mistura estireno: metanol (30:70 v/v) mais 30% de aditivo (ácido sulfúrico) em ampolas de vidro de 40 mL sob atmosfera inerte, seladas em atmosfera inerte, para então, serem irradiadas em instalações industriais (EMBRARAD / CBE). Após a irradiação, as amostras foram retiradas, lavadas e secas em estufas, por 8 horas e pesadas para cálculo de grau de enxertia. Pelo método da pré-irradiação, as amostras foram irradiadas em ampolas, seladas sob atmosfera inerte. A mistura acima mencionada era adicionada após a irradiação, A enxertia propriamente se inicia no momento de adição de mistura. Após 8 horas, as amostras eram retiradas, secas e pesadas para cálculo de grau de enxertia. No método da peroxidação, as amostras foram seladas com ar (oxigênio). Todo o procedimento do método pré-irradiação era então repetido. As amostras que apresentaram grau de enxertia (DOG na sigla em inglês) significativo eram caracterizadas (TGA, DSC) e sulfonadas para cálculo de capacidade de troca iônica (IEC na sigla em inglês). Observou-se que, pelo método indireto, as amostras não apresentaram enxertia significativa. Pelo método direto (simultânea) as amostras apresentaram modificação (aumento de massa), ou seja, houve enxertia, mas não apresentaram IEC significativo. A dose que apresentou o melhor DOG foi 80 kGy. / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2014-11-10T12:39:03Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-11-10T12:39:03Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Este trabalho tem por objetivo estudar as regiões dos canais catódicos de uma célula a combustível de membrana polimérica condutora de prótons PEM unitária, em que há acúmulo de água e os padrões de escoamento desta água nos canais, bem como as condições de operação em que isto ocorre. Esta água acumulada nos canais catódicos tem duas origens distintas, a saber: 1. água produzida na reação de redução do oxigênio no sítio catalítico do cátodo, 2. água de condensação formada a partir do vapor de água proveniente do umidificador de oxigênio. O arranjo experimental desenvolvido permitiu a perfeita visualização dos fenômenos; a saber: iniciando-se com gotículas que emergem da camada de difusão gasosa do cátodo, passando estas gotículas a se aglutinarem por um processo de coalescimento aumentando de tamanho até formarem um filme nas paredes dos canais. Em continuidade a este processo há um adensamento do filme com a formação de bolsões (slugs) de água líquida que ocupam a área de passagem do oxigênio nos canais. O bloqueio da passagem do oxigênio pelo bolsão de água líquida no canal impede que o oxigênio alcance os sítios catalíticos da camada catalítica do cátodo onde ocorre a reação de redução do oxigênio, cessando desta forma a reação, constituindo-se num dos mais sérios problemas das células a combustível do tipo membrana polimérica, uma vez que afeta diretamente o desempenho da célula. A formação contínua desses slugs e seu agrupamento é um fenômeno denominado de encharcamento (flooding) da célula. Para se observar estes fenômenos que ocorrem no interior dos canais catódicos utilizou-se de um protótipo de célula a combustível transparente unitária de 5 cm² de área geométrica cuja placa de fechamento foi feita de policarbonato transparente. A célula foi alimentada com o combustível hidrogênio pelo lado do ânodo e com o oxidante oxigênio pelo lado do cátodo. Nos experimentos utilizou-se um espectro de temperaturas variando de 25ºC a 55ºC. A temperatura máxima da célula ficou limitada a 55ºC uma vez que o policarbonato começa a se degradar com água a 60ºC por isso não se utilizando temperaturas na faixa de 70ºC a 90ºC que são as temperaturas de operação das células PEM comerciais. As vazões de oxigênio e de hidrogênio usadas foram de 60 mL min-1 e de 100 mL min-1 respectivamente. A faixa de potencial variou de 0,1 V a 1,0 V. Foram utilizados cargas de platina de 0,4 mg cm-2 no eletrodo anódico e no eletrodo catódico. Os resultados experimentais foram comparados aos resultados numéricos na forma de curvas de polarização que medem o desempenho da célula apresentando uma boa concordância entre si, deste modo validando o modelo numérico usado. Para fazer a modelagem matemática da placa com os canais catódicos usou-se o software comercial COMSOL Multiphysics 4.3a, no qual se implementou uma função chave que indica o equilíbrio líquido/vapor, obtendo-se como resultados numéricos a distribuição de saturação em um espectro de temperaturas de 25ºC a 55ºC e de potenciais de 0,1 V a 1,0 V. / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2015-03-17T11:00:01Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2015-03-17T11:00:01Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Neste trabalho foram analisados diferentes parâmetros geométricos para canais de fluxo em células a combustível tipo PEMFC e sua influência no desempenho do sistema, utilizando a fluidodinâmica computacional. Na análise dos modelos matemáticos, verificou-se que o modelo de aglomerado inundado descreve com maior fidelidade o comportamento de células a combustível, enquanto as equações de Butler-Volmer não consideram as perdas por transporte de massa. Foram avaliadas as seções transversais retangular, trapezoidal e em degrau. O modelo com canais de seção retangular apresentou desempenho elétrico ligeiramente superior, porém os canais com seção trapezoidal propiciam um melhor gerenciamento de água. Em todos os aspectos estudados, os canais com seção em degrau se comportaram de forma análoga aos canais com seção trapezoidal, porém sua construção é menos complexa. Também foram analisadas as configurações serpentina e interdigitada em células de 5 cm², e sua influência na uniformidade da densidade de corrente. Não foram observadas diferenças significativas quanto à eficiência elétrica entre células com as duas configurações. A configuração interdigitada propiciou distribuição mais uniforme de geração de corrente, pois os reagentes são fornecidos em alta concentração por uma maior área da célula. Assim, esta configuração é preferível para aumento de escala. / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

>Magister Scientiae - MSc / Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) among other fuel cells are considered the best candidate for commercialization of portable and transportation applications because of their high energy conversion and low pollutant emission. Recently, there has been significant interest in high temperature polymer electrolyte membrane fuel cells (HT-PEMFCs), due to certain advantages such as simplified system and better tolerance to CO poisoning. Cost, durability and the reliability are delaying the commercialization of PEM fuel cell technology. Above all durability is the most critical issue and it influences the other two issues. The main objective of this work is to study the durability of membrane electrode assemblies (MEAs) for HT-PEMFC. In this study the investigation of commercial MEAs was done by evaluating their performance through polarization studies on a single cell, including using pure hydrogen and hydrogen containing various concentrations of CO as fuel, and to study the performance of the MEAs at various operating temperatures. The durability of the MEAs was evaluated by carrying out long term studies with a fixed load, temperature cycling and open circuit voltage degradation. Among the parameters studied, significant loss in the performance of the MEAs was noted during temperature cycling. The effect of temperature cycling on the performance of the cell showed that the performance decreases with increasing no. of cycles. This could be due to leaching of acid from the cell or loss of electrochemically active surface area caused by Pt particle size growth. For example at 160°C, a performance loss of 3.5% was obtained after the first cycle, but after the fourth cycle a huge loss of 80.8% was obtained. The in-house MEAs with Pt-based binary catalysts as anodes were studied for CO tolerance, performance and durability. A comparison of polarization curves between commercial and in-house MEAs illustrated that commercial MEA gave better performance, obtaining 0.52 A/cm² at 0.5V and temperature of 160°C, with in-house giving 0.39A/cm² using same parameters as commercial. The CO tolerance of both commercial and in-house MEA was found to be similar. In order to increase the CO tolerance of the in-house MEAs, Pt based binary catalysts were employed as anodesand the performance was investigated In-house MEAs with Pt/C and Pt-based binary catalysts were compared and a better performance was observed for Pt/C than Pt-alloy catalysts with Pt-Co/C showing comparable performance. At 0.5 V the performance obtained was 0.39 A/cm2 for Pt/C, and 0.34A/cm²,0.28A/cm²,0.27A/cm² and 0.16A/cm² were obtained for Pt-Co/C, Pt-Fe/C, Pt-Cu/C and Pt-Ni respectively. When the binary catalysts were tested for CO tolerance, Pt-Co showed no significant loss in performance when hydrogen containing CO was used as anode fuel. Scanning electron microscopy (SEM) revealed delamination between the electrodes and membrane of the tested and untested MEA's. Membrane thinning was noted and carbon corrosion was observed from the tested micro-porous layer between the gas diffusion layer (GDL) and catalyst layer (CL).

Philosophiae Doctor - PhD / The widespread use of fossil energy has been most convenient to the world, while they also cause environmental pollution and global warming. Therefore, it is necessary to develop clean and renewable energy sources, among which, hydrogen is considered to be the most ideal choice, which forms the foundation of the hydrogen energy economy, and the research on hydrogen production and fuel cells involved in its production and utilization are naturally a vital research endeavor in the world. Electrocatalysts are one of the key materials for proton exchange member fuel cells (PEMFCs) and water splitting. The use of electrocatalysts can effectively reduce the reaction energy barriers and improve the energy conversion efficiency.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC’s) offer an attractive alternative energy resource over traditional fossil fuels. The advantages such as high power density, relatively quick start-up, rapid response to varying loads and low operating temperatures make it a preferred technology option compared to other alternative energy sources. Nafion® by DuPont plays an integral role in the success of PEM fuel cells due to its high proton conductivity and high chemical and thermal stability. This research project aims to study the effect of mechanical and hygro-thermal stresses on the mechanical performance and proton conductivity of the membrane by subjecting it to realistic operating conditions such as those encountered in an automobile. In this thesis, the time-dependent behavior of the membrane has been modeled using a Prony series and the change in the conductivity due to mechanical loading was experimentally measured. The modeling of both electrochemical and mechanical properties can further be used in studying the degradation properties of the membrane and should guide the development of better membrane materials. Visco-elastic stress relaxation theory has been used in modeling the time-dependent behavior of the specimen. The EIS spectrum has been analyzed using a non-linear least squares method and an equivalent circuit method was also used to fit the spectra. This project was conducted in three phases. In the first phase a novel test facility was built to perform the experiments. A conductivity measurement test cell that measured the proton conductivity of a membrane was modeled and manufactured. The second phase included the design of different experiments that helped in modeling the interdependence of electrochemical and mechanical properties of the membrane. In this process, three series of experiments that tested the electrochemical and mechanical properties of the specimen were conducted. The membrane was held at constant strain and the through plane impedance was measured at different times during the test, specifically before and after stretching at ambient and varying environmental conditions. The membrane was also subjected to both mechanical and hygro-thermal loading conditions during the test. In the third phase, time-dependant mathematical model for the changes in the material properties were developed. The experimental apparatus thus tested the mechanical and electrochemical properties of the membrane simultaneously while the specimen was being subjected to constant mechanical and varying hygro-thermal conditions. Since the testing method is a novel procedure, the reliability and repeatability of the experimental facility has been verified before conducting the experiments. The experimental apparatus can further be used to test the membrane at varying strain rates and different hygro-thermal loading conditions in a consistent manner. The model developed can be used to analyze the degradation behavior of membrane and also to build better fabrication methods and membrane materials in future.

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) have recently acquired much attention as alternatives to combustion engines for power conversion. The primary interest in fuel cell technology is the possibility of 60% power conversion efficiency as compared to the 30% maximum theoretical efficiency limited to combustion engines and turbines. Although originally conceived to work with hydrogen as a fuel, difficulties relating to hydrogen storage have prompted much effort in using other fuels. Small organic molecules such as alcohols and formic acid have shown promise as alternatives to hydrogen in PEMFCs due to their higher stability at ambient conditions. The drawbacks for using these fuels in PEMFCs are related to their incomplete oxidation mechanisms, which lead to the production of carbon monoxide (CO). When carbon monoxide is released in fuel cells it binds strongly to the platinum anode thus limiting the adsorption and subsequent oxidation of more fuel. In order to promote the complete oxidation of fuels and limit poisoning due to CO, various metal and metal oxide catalysts have been used. Motivated by promising results seen in fuel cell catalysis, this research project is focused on the design and fabrication of novel platinum-composite catalysts for the electrooxidation of methanol, ethanol and formic acid. Various Pt-composites were fabricated including Pt-Au, PtRu, Pt-Pd and Pt-CeO2 catalysts. Electrochemical techniques were used to determine the catalytic ability of each novel composite toward the electrooxidation of methanol, ethanol and formic acid. This study indicates that the novel composites all have higher catalytic ability than bare Pt electrodes. The increase in catalytic ability is mostly attributed to the increase in CO poison tolerance and promotion of the complete oxidation mechanism of methanol, ethanol and iv formic acid. Formulations including bi- and tri-composite catalysts were fabricated and in many cases show the highest catalytic oxidation, suggesting tertiary catalytic effects. The combination of bi-metallic composites with ceria also showed highly increased catalytic oxidation ability. The following dissertation expounds on the relationship between composite material and the electrooxidation of methanol, ethanol and formic acid. The full electrochemical and material characterization of each composite electrode is provided.