Essa dissertação dedica-se ao estudo de instabilidades cinéticas em células a combustível de membrana trocadora de prótons (PEMFC, do inglês proton exchange membrane fuel cell). As PEMFC apresentam baixíssima perda por polarização quando operadas com H2. Contudo, quando o processo de produção de H2 se dá por reforma catalítica de hidrocarbonetos, CO está presente em níveis inaceitáveis para PEMFC equipada com ânodo de Pt/C. Dentre as propostas para superar esse problema, ligas bimetálicas de Pt têm se mostrado uma alternativa promissora para tornar a célula mais tolerante à CO. Além disso, é plausível que um comportamento dinâmico surja nesse tipo de sistema eletroquímico, devido à interação de fatores como transferência de massa, corrente, potencial do eletrodo e a presença de um veneno catalítico, nesse sistema o CO, que pode ser uma impureza do H2 ou um intermediário de reação (em células a combustível alimentadas diretamente com metanol, ácido fórmico ou etanol). Uma das motivações em se estudar tais instabilidades cinéticas é que uma célula a combustível operando em regime oscilatório pode resultar em um desempenho superior, uma vez que a limpeza auto-organizada da superfície previne que o ânodo seja completamente envenenado por CO. Nesse contexto, estudou-se a emergência de instabilidades cinéticas em PEMFC operando com ânodo de Pd-Pt/C ou Pd/C durante a oxidação de H2 e H2/CO, assim como em célula a combustível a metanol direto (DMFC, do inglês direct methanol fuel cell) com ânodo de Pt black. Os resultados indicaram que oscilações de potencial surgem na PEMFC durante a oxidação H2/CO sobre Pd-Pt/C assim como sobre Pd/C. Acoplando as medidas de potencial com espectrometria de massas on line na saída do ânodo, investigou-se o consumo de CO e a produção de CO2 durante as oscilações. Observou-se que as oscilações de potencial levam a variações na fração molar de CO e CO2. Adicionalmente, identificou-se oscilações de potencial em DMFC, fenômeno até então não relatado na literatura. / This dissertation deals with kinetic instabilities in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). PEMFCs show very small polarization losses when operating with pure H2. However, when the H2 production takes place by catalytic reforming of hydrocarbons, CO is present in the fuel stream at unacceptable levels for PEMFC equipped with a Pt/C anode. Among the possibilities to overcome this problem, bimetallic Pt alloys have proven to be a promising alternative to increase CO tolerance. Furthermore, it is plausible that a dynamic behavior emerge in such electrochemical system due to the interaction of factors like mass transfer, current, potential, and the presence of a catalyst poison, for this system CO which can be a H2 impurity or a reaction intermediate (in direct methanol/formic acid/ethanol fuel cells). One of the motivations for studying kinetic instabilities is that a fuel cell operating under oscillatory regime might result in higher performance, because the self-organized cleaning of the surface prevents the anode to be completely poisoned by CO. In this context, kinetic instabilities were studied in PEMFC operating with Pt-Pd/C or Pd/C anode during the oxidation of H2 and H2/CO mixture, as well as in direct methanol fuel cell (DMFC) with Pt black anode. It was observed the emergency of potential oscillations during the H2/CO oxidation on both catalysts, Pt-Pd/C and Pd/C. By coupling the potential measurements with on line Mass Spectrometry in the anode outlet it was investigated a variation in the concentration of CO and CO2 during oscillatory dynamic. It was found that the potential oscillations lead to variations in the molar fraction of CO and CO2. Additionally, it was observed potential oscillations in DMFC, phenomenon not previously reported in the literature.

O manganito de neodímio dopado com estrôncio (NSM) é um dos materiais catódicos alternativos e que estão sendo estudados e pesquisados para aplicação em células a combustível de óxido sólido de temperatura intermediária (ITSOFCs). O estrôncio (Sr) auxilia consideravelmente na condutividade elétrica e na proximidade do coeficiente de expansão térmica do NSM com os eletrólitos de céria gadolínia (GDC) e céria samária (SDC), e que tornam o material adequado ao uso em temperaturas entre 500 e 800 ºC. Seguindo este contexto, o presente trabalho é uma contribuição ao estudo da síntese de NSM com diferentes concentrações molares de Sr (10, 30 e 50 %), através da técnica de reação no estado sólido. Os materiais foram obtidos e caracterizados visando avaliá-los quanto às características adequadas para emprego na ITSOFC. Após a síntese dos pós e processamento do material sinterizado, avaliou-se principalmente o teor do dopante Sr para a identificação das composições químicas obtidas, estrutura cristalina formada, morfologia dos pós e cerâmicas, além da expansão térmica e condutividade elétrica do material sinterizado. Verificou-se que os valores das concentrações molares dos elementos químicos constituintes para a formação do NSM estão próximos dos valores calculados estequiometricamente antes da etapa de calcinação. A porosidade se mostrou mais adequada para as amostras sinterizadas a 1100 e a 1200 ºC. Comprovou-se que, o teor de dopante não altera significativamente a área de superfície específica e o valor das densidades. Os coeficientes de expansão térmica encontrados estão bastante próximos aos eletrólitos comerciais e verificou-se que com o aumento das concentrações molares de estrôncio, ocorre o acréscimo nos valores de coeficientes de expansão térmica. A condutividade elétrica está adequada para aplicação como material catódico. Os resultados mostram que a síntese por mistura de sólidos apesar de ter as suas desvantagens, quando realizada com cuidados, proporciona pós de NSM, com boas características físicas, químicas e microestruturais. Conclui-se que as características do material com composição de 30 % em mol de Sr é a mais adequada para a preparação de suspensões cerâmicas para posterior deposição no eletrólito sólido de GDC e/ou SDC, embora sejam necessários outros estudos das características deste material como dispositivo eletroquímico para aplicação em ITSOFCs. / The strontium-doped neodymium manganite (NSM) is one of the alternative cathodic materials and they have been studied and searched for application in intermediate temperature solid oxide fuel cells (ITSOFCs). The strontium (Sr) assists considerably in the electric conductivity and in the proximity of the thermal expansion of the NSM with electrolytes of ceria doped with gadolinium (GDC) or samarium (SDC), allowing them to become the adequate material for the use in temperatures between 500 and 800 ºC. Following this context, the present work is a contribution to the study of the synthesis of NSM with different molar concentrations of Sr (10, 30 and 50 %), through the technique of solid state reaction. The materials were obtained and characterized to be adjusted to the requested characteristics for operating in the ITSOFC. After the synthesis of the powders and processing the sintered material, it was evaluated the concentration of Sr for the identification of chemical compositions, crystalline structure, powders morphology and ceramics, besides the thermal expansion and electric conductivity of the sintered material. It was verified that the values of the molar concentrations of the constituent chemical elements of the NSM are close to the values theoretically calculated before the stage of calcination. The porosity showed to be more adequate for the samples sintered at 1100 and 1200 ºC. One proved that, the increase of the Sr, relatively little, diminishes the specific surface area and the value of the densities and the coefficients of thermal expansion of the sintered samples. The found coefficients of thermal expansion are sufficiently close to the ones of commercial electrolytes and the electric conductivity is adequate for a cathodic application as material. The results show that the synthesis by solid state reaction, although having its disadvantages, provides powders of NSM with good physical, chemical and microstructural characteristics when carried with certain cares. It is concluded that the composition of 30 % in mol of Sr and sintered at 1200 ºC is the best for the preparation of ceramic suspensions for posterior deposition on the solid electrolyte of GDC and/or SDC, even so further studies are necessary to completely adjust this material to be used in a electrochemical device for application in ITSOFCs.

O manganito de neodímio dopado com estrôncio (NSM) é um dos materiais catódicos alternativos e que estão sendo estudados e pesquisados para aplicação em células a combustível de óxido sólido de temperatura intermediária (ITSOFCs). O estrôncio (Sr) auxilia consideravelmente na condutividade elétrica e na proximidade do coeficiente de expansão térmica do NSM com os eletrólitos de céria gadolínia (GDC) e céria samária (SDC), e que tornam o material adequado ao uso em temperaturas entre 500 e 800 ºC. Seguindo este contexto, o presente trabalho é uma contribuição ao estudo da síntese de NSM com diferentes concentrações molares de Sr (10, 30 e 50 %), através da técnica de reação no estado sólido. Os materiais foram obtidos e caracterizados visando avaliá-los quanto às características adequadas para emprego na ITSOFC. Após a síntese dos pós e processamento do material sinterizado, avaliou-se principalmente o teor do dopante Sr para a identificação das composições químicas obtidas, estrutura cristalina formada, morfologia dos pós e cerâmicas, além da expansão térmica e condutividade elétrica do material sinterizado. Verificou-se que os valores das concentrações molares dos elementos químicos constituintes para a formação do NSM estão próximos dos valores calculados estequiometricamente antes da etapa de calcinação. A porosidade se mostrou mais adequada para as amostras sinterizadas a 1100 e a 1200 ºC. Comprovou-se que, o teor de dopante não altera significativamente a área de superfície específica e o valor das densidades. Os coeficientes de expansão térmica encontrados estão bastante próximos aos eletrólitos comerciais e verificou-se que com o aumento das concentrações molares de estrôncio, ocorre o acréscimo nos valores de coeficientes de expansão térmica. A condutividade elétrica está adequada para aplicação como material catódico. Os resultados mostram que a síntese por mistura de sólidos apesar de ter as suas desvantagens, quando realizada com cuidados, proporciona pós de NSM, com boas características físicas, químicas e microestruturais. Conclui-se que as características do material com composição de 30 % em mol de Sr é a mais adequada para a preparação de suspensões cerâmicas para posterior deposição no eletrólito sólido de GDC e/ou SDC, embora sejam necessários outros estudos das características deste material como dispositivo eletroquímico para aplicação em ITSOFCs. / The strontium-doped neodymium manganite (NSM) is one of the alternative cathodic materials and they have been studied and searched for application in intermediate temperature solid oxide fuel cells (ITSOFCs). The strontium (Sr) assists considerably in the electric conductivity and in the proximity of the thermal expansion of the NSM with electrolytes of ceria doped with gadolinium (GDC) or samarium (SDC), allowing them to become the adequate material for the use in temperatures between 500 and 800 ºC. Following this context, the present work is a contribution to the study of the synthesis of NSM with different molar concentrations of Sr (10, 30 and 50 %), through the technique of solid state reaction. The materials were obtained and characterized to be adjusted to the requested characteristics for operating in the ITSOFC. After the synthesis of the powders and processing the sintered material, it was evaluated the concentration of Sr for the identification of chemical compositions, crystalline structure, powders morphology and ceramics, besides the thermal expansion and electric conductivity of the sintered material. It was verified that the values of the molar concentrations of the constituent chemical elements of the NSM are close to the values theoretically calculated before the stage of calcination. The porosity showed to be more adequate for the samples sintered at 1100 and 1200 ºC. One proved that, the increase of the Sr, relatively little, diminishes the specific surface area and the value of the densities and the coefficients of thermal expansion of the sintered samples. The found coefficients of thermal expansion are sufficiently close to the ones of commercial electrolytes and the electric conductivity is adequate for a cathodic application as material. The results show that the synthesis by solid state reaction, although having its disadvantages, provides powders of NSM with good physical, chemical and microstructural characteristics when carried with certain cares. It is concluded that the composition of 30 % in mol of Sr and sintered at 1200 ºC is the best for the preparation of ceramic suspensions for posterior deposition on the solid electrolyte of GDC and/or SDC, even so further studies are necessary to completely adjust this material to be used in a electrochemical device for application in ITSOFCs.

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.

Além da necessidade do desenvolvimento de novos eletrocatalisadores para aplicação em células à combustível, há também a necessidade da diminuição do crossover, que compromete a eficiência da reação de oxidação do combustível. Sendo assim, foi realizada neste trabalho a dopagem das membranas de Nafion® 117 com nanopartículas de \'PT\' e \'PT\'/\'RU\', em duas concentrações diferentes de platina, pelo método de absorção-redução. Os resultados de Absorção Atômica e a coloração das amostras comprovaram a absorção da solução de precursores metálicos pela membrana. Os dados de FTIR-ATR e DRX mostraram que houve a formação de nanopartículas. Pelos testes em células unitárias (PEMFC, DMFC e DEFC), observou-se que tanto a PEMFC como a DEFC apresentaram uma melhora na eficiência. Apesar de ter havido um ganho significativo de densidade de potência, de até 50%, com membranas dopadas, não foi possível eliminar o crossover. Entretanto, no caso da DEFC, encontrou-se uma alta porcentagem de produtos oxidados com dois átomos de carbono na saída do cátodo. Os principais produtos formados foram acetaldeído e ácido acético, sendo que o ácido acético foi o produto majoritário. Também foram detectados traços de ácido fórmico comprovando que houve, em menor escala, a quebra da ligação C-C. Além disso, os resultados mostraram que a dopagem das membranas de Nafion® parece ter conferido uma melhora na durabilidade das amostras, já que estas, quando comparadas à membrana sem partículas metálicas, alcançaram maiores densidades de correntes. Finalmente, a dopagem da membrana e a elevação de temperatura provocaram um melhor desempenho nas DEFCs testadas. / Beyond the necessity of the development of new electrocatalysts for fuel cell application, there is also the necessity of diminishing of the crossover that compromises the oxidation efficiency of the fuel. So, in this work was carried out the doping of the Nafion® 117 membranes with \'PT\' and \'PT\'/\'RU\' nanoparticles in two different platinum concentrations by using the absorption-reduction method. The Atomic Absorption results and the color of the samples proved that the absorption of the metallic precursor solutions by the membrane happened. FTIR-ATR and XRD data showed the formation of nanoparticles. It was observed that in unitary fuel cells (PEMFC, DMFC and DEFC) tests the PEMFC and DEFC showed an improvement in the efficiency. Although a significant increase in the power density, up to 50 % by using doped membranes, it was not possible to eliminate the crossover. However, in the case of the DEFC, a high percentage of oxidized products with two carbon atoms was found in the cathode exit. The main formed products were acetaldehyde and acetic acid, being the acetic acid the majority product. Traces of formic was also detected demonstrating that, in lesser scale, the break of the C-C bond is feasible. Moreover, the results showed that the durability of the doped Nafion® membranes is higher than the membrane without metallic particles, since bigger current densities were reached in the former case. Finally, the membrane doping and the temperature rise led the DEFC to the best performance.

A enxertia de estireno induzida pela radiação gama nos filmes fluorados, poli(tetrafluoroetileno-co-hexafluoropropileno) (FEP), poli(etileno-cotetrafluoroetileno) (ETFE), poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF), poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro alquil vinil eter) (PFA) e poli(tetrafluoroetileno) (PTFE) foi realizada pelo método simultâneo de irradiação utilizando uma fonte de cobalto-60. Os filmes fluorados foram imersos em soluções de estireno/tolueno, estireno/isopropanol e estireno/metanol (1:1 v/v) sob atmosfera inerte e temperatura ambiente e, então, submetidos a doses de 20, 40, 80 e 100 kGy. Após a reação de enxertia os filmes foram mantidos à temperatura ambiente, e ainda sob atmosfera inerte, por 7, 14, 21 e 28 dias para avaliar a variação no grau de enxertia em relação ao tempo de pós-irradiação. No final de cada período os filmes foram sulfonados para conferir às membranas fluoradas a propriedade de hidrofilicidade. O grau de enxertia (DOG) foi determinado gravimetricamente e as mudanças químicas e morfológicas nos filmes enxertados e sulfonados foram analisadas por espectroscopia no infravermelho, termogravimertria (TG), calorimetria exploratória diferencial (DSC), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e capacidade de troca iônica (IEC). Os testes em célula a combustível foram, também, efetuados pelo levantamento de curvas de polarização. Pela técnica de espectroscopia no infravermelho foi possível confirmar a presença do estireno nos filmes enxertados. O grau de enxertia nos filmes fluorados foi dependente do tipo de solvente utilizado. A análise termogravimétrica dos filmes enxertados mostrou duas etapas de decomposição, enquanto que a dos filmes sulfonados mostrou quatro. Pelos dados de DSC dos filmes enxertados constatou-se pequena variação na temperatura do pico de fusão, sugerindo a formação de poliestireno enxertado pouco penetrado na matriz polimérica. As figuras de MEV mostraram que o solvente tem maior influência na morfologia dos enxertos do que a dose de irradiação. Os testes em célula das membranas de ETFE, PFA e FEP apresentaram uma resposta de polarização satisfatória quando comparadas à membrana comercial Nafion®. POLYMER / The radiation-induced graft of styrene onto fluoropolymers, poly(tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene) (FEP), poly(ethylene-cotetrafluoroethylene) (ETFE), poly(vinylidene fluoride) (PVDF), poly(tetrafluoroethylene-co-perfluoroalquil vinyl ether) (PFA), and poly(tetrafluoroethylene) was carried out by simultaneous irradiation method in a cobalt-60 source. The fluoropolymers films were immersed in solutions of styrene/toluene, styrene/isopropilic alcohol and styrene/methanol (1:1 v/v) under inert atmosphere and at room temperature and then submitted to 20, 40, 80, and 100 kGy. After grafting reaction the films were kept at room temperature under inert atmosphere for periods of 7, 14, 21 and 28 days in order to evaluate the degree of grafting. At the end of each period, the films were sulfonated to provide the hydrophilic property to fluoropolymer membranes. The degree of grafting (DOG) was gravimetrically determined and the chemical changes in the grafted and sulfonated films were characterized by infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM), and ion exchange capacity (IEC) was calculate. Single fuel cell measurements of ETFE, FEP and PFA membranes were performed. New bands attributed to styrene grafted in a fluoropolymers films were observed by FTIR spectra. The degrees of grafting of fluorinated films were solvent dependent. By TGA the grafted films exhibited two steps of degradation and the sulfonated membranes exhibited four steps of degradation. By DSC was possible to verify that matrix polymerics did not suffer any drastic change in the melting temperature after grafting and sulfonation reactions. The SEM images of grafted and sulfonated films showed the morphology depends strongly on the solvent used. The fuel cell performance of ETFE, FEP and PFA films was satisfactory when compared to state-of-art Nafion® membranes.

Foram preparados eletrocatalisadores Pt-Sn/C a partir da deposição de Pt sobre Sn/C por diferentes metodologias. Os suportes Sn/C foram preparados pela redução com boroidreto de sódio (BH) e pelo método da redução por álcool (MRA). A deposição da Pt foi efetuada pelo processo de troca galvânica e utilizando agentes redutores pelos métodos BH e MRA. Os materiais obtidos foram caracterizados por energia dispersiva de raios X (EDX), difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), energia dispersiva de raios X de varredura linear (EDX- line scan), voltametria cíclica (VC) e stripping de CO e testados na oxidação eletroquímica do etanol. O difratograma de raios X do Sn/C preparado pelo método BH mostrou a presença da fase Sn metálico, enquanto que, o Sn/C preparado pelo método MRA levou a formação da fase SnO2. Apesar de o material obtido por deposição espontânea apresentar-se mais ativo que o suporte Sn(BH)/C, sua atividade foi inferior ao do catalisador comercial PtSn/C BASF. Os materiais obtidos apresentaram-se mais ativos que o catalisador comercial. A deposição da Pt pelo método BH sobre o suporte Sn(BH)/C levaram a catalisadores com desempenhos inferiores ao catalisador comercial, isto devido a deposição da Pt ocorrer preferencialmente sobre as nanopartículas de Sn metálico, tornando a superfície do catalisador rica em Pt. Os estudos realizados por microscopia eletrônica de transmissão EDX scan-line mostraram que este material apresentou a distribuição mais homogênea dos sítios de Pt e Sn na superfície do catalisador. Assim, nas condições estudadas, a deposição de Pt na superfície do Sn/C, apesar de alguns casos, os materiais obtidos apresentarem melhor atividade que o catalisador PtSn/C comercial, estes apresentaram-se menos ativos que os materiais preparados em uma única etapa por co-redução. / We present a study of the achievement of Pt-Sn/C electrocatalysts from the deposition of Pt on Sn/C surface using different methodologies. The Sn/C support were obtained by reduction method with sodium borohydride (BH) and by the alcohol reduction method (MRA). Pt deposition was carried out by the galvanic exchange process and by using reducing BH and MRA methods. The materials were characterized using energy dispersive X-ray (EDX), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive X-ray linear scan (EDX- line scan), cyclic voltammetry (VC) and CO stripping and tested by electrochemical oxidation of ethanol. A comparison between MRA and BH method showed the presence of Sn metal phase in the X-ray diffractogram Sn/C using the first method while the second lead to the formation of the SnO2 phase. The obtained material resulted by deposition process more active than the Sn holder (BH)/C but less active than commercial catalyst PtSn/C BASF. The materials result to be more active than the commercial catalyst. The Pt deposition process using BH method on Sn (BH)/C support led to catalysts with lower performance to the commercial catalyst because, in this case, the deposition occurs of Pt preferably on Sn metal nanoparticles, making the surface of the catalyst rich in Pt. Studies by transmission electron microscopy EDX-line - scan showed that this material had the most even distribution of Pt and Sn sites on the catalyst surface. In this work, we obtained electrocatalyst by Pt deposition on Sn/C\'s surface, with higher activity than the Commercial PtSn/C catalyst and verified that the materials obtained in a single step process by co-reduction are the ones with higher activity.

Devido a crescente demanda de energia elétrica este trabalho tem como objetivo a elaboração de um projeto bioclimático de uma edificação para o estudo sobre o uso de célula a combustível movida a hidrogênio solar, como forma de energia alternativa. O fornecimento de energia elétrica é feito apor meio de um sistema proveniente de painéis fotovoltaicos fornecendo energia para a produção de hidrogênio através da eletrólise da água para gerar energia elétrica com uma célula a combustível. A metodologia utilizada foi projetar uma casa típica da região do interior de São Paulo, para posteriormente dimensionar um sistema hidrogênio solar adequado para essa casa modelo. Foi feita a análise do clima local para posteriormente aplicar estratégias da arquitetura bioclimática. Os dados sobre o dimensionamento do sistema tais quais, número de painéis solares, número e volume dos tanques de hidrogênio necessários, potência e tamanho físico da célula a combustível foram fornecidos pela empresa UNITECH de fabricação de célula a combustível. Um modelo foi simulado utilizando uma planilha eletrônica; nele foram introduzidas as principais características e eficiências dos equipamentos que compõem o sistema, bem como o perfil de carga elétrica característico do local e seus custos. Como resultado foram analisadas as formas de dimensionar o sistema hidrogênio solar para uma residência típica, onde foi constatado que há duas formas de dimensionamento: uma através da demanda energética da casa (kWh) e outra através da potência requerida pelos equipamentos da casa (Watts). O modelo escolhido a ser estudado e representado com o projeto arquitetônico foi pela curva da demanda energética diária resultando em 450 kWh/mês, havendo assim a diminuição da área de painéis solares e viabilizando a introdução da nova tecnologia. Outro cenário foi analisado pelo cálculo da potência, resultando em um total de 5 kW e obtendo uma extensa área de painéis solares, no entanto essa energia que sobra poderia ser fornecida para as concessionárias auxiliando nos horários de pico a energia consumida, ou ainda formando uma mini usina para comunidades isoladas. No projeto arquitetônico da edificação foram analisadas as mudanças e dificuldades quanto ao design, local e instalação dos componentes para implantação do sistema. Os dados de energia gerada e consumida são analisados servindo também como base para diversas pesquisas. Conclui-se que o sistema ainda não consegue ser competitivo economicamente com o sistema tradicional de energia elétrica, se não levado em conta aspectos ambientais, e sem o apoio de uma forte política governamental; porém aspectos do processo projetual arquitetônico se mantêm praticamente os mesmos. E ainda destaca-se a mudança de paradigma da energia elétrica, pois o consumidor passa a ser produtor. / Due to increasing demand for electricity this paper aims to draw up a bioclimatic design a building for studies on the use of fuel cells powered solar hydrogen as an alternative energy. The electricity supply is done through a system from photovoltaic panels supplying power to produce hydrogen through electrolysis of water to generate electricity with a fuel cell. The methodology used was to design a typical home of the São Paulo region, using data from IBGE and SINFHA for later sizing a solar hydrogen system to the house style. Analysis of the local climate was taken by INMET, CPTEC and CIIAGRO. Subsequently the bioclimatic chart (NBR 15220) and the solar chart for use of bioclimatic architecture strategies are applied. The data on the system design as such, the number of solar panels, number and volume of hydrogen required, power and physical size of the fuel cell tanks were provided by the company UNITECH manufacturing fuel cell. A model was simulated using a spreadsheet; it was introduced the main characteristics and efficiencies of equipment that make up the system, as well as the listing of the characteristic electrical charge of the place and its costs. As a result ways to scale the solar hydrogen system for a typical residence, where it was found that there are two ways of scaling were analyzed: one through the house energy demand (kWh) and the other through the power required by the equipment of the house (Watts) . The model chosen to be studied and represented with the architectural design was by the curve of daily energy demand resulting in 450 kWh / month, so there is a decrease in the area of solar panels and enabling the introduction of new technology. Another scenario was analyzed by calculating the power, resulting in a total of 5 kW and getting a large area of solar panels, however this left over energy could be provided for utilities assisting at peak energy consumed, or forming a mini plant for isolated communities. In the architectural design of the building, we analyzed the changes and difficulties regarding the design, location and installation of components for deployment. The data generated and consumed energy are analyzed also serving as base for numerous research. We conclude that the system still can not be economically competitive with traditional power system, if not taken into account environmental aspects, and without the support of a strong government policy; But aspects of the architectural design process remain largely the same.

Este estudo visa a definição de condições de síntese e processamento cerâmico que possibilitem a obtenção do componente anódico com características adequadas para a operação de uma SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), ou seja, boa distribuição microestrutural do NiO na matriz de YSZ e porosidade cerca de 30% após redução de NiO. As rotas de síntese selecionadas englobaram a coprecipitação em meio amoniacal, mistura mecânica dos pós e combustão a partir de sais de nitrato. As técnicas de caracterização de pós empregadas incluíram a difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, microscopia eletrônica de transmissão, difração a laser, adsorção gasosa (BET) e picnometria de hélio. Os resultados obtidos indicaram que empregando-se a técnica de coprecipitação, a perda de Ni2+, na forma de complexo [Ni(NH3)n]2+, pode ser minimizada pelo controle do pH em 9,3, mantendo-se a concentração de Ni2+ na solução inicial em 0,1M. No método de mistura mecânica a melhor condição de dispersão dos pós, sem a sedimentação diferencial, foi obtida para valores de potencial zeta em pH 8,0, fixando-se a concentração de dispersante em 0,8% em massa. Na síntese por combustão observou-se que para composições pobres em combustível, os produtos finais apresentaram-se amorfos e com alta área superficial (120,2 m2.g-1). Para as composições ricas em combustível, uréia, os pós obtidos apresentaram-se cristalinos sendo que a intensidade das reflexões do padrão de DRX aumenta com o aumento do excesso de combustível, devido ao aumento da temperatura de reação. No estudo de sinterabilidade dos compactados preparados a partir de pós preparados pelos três métodos determinou-se a temperatura ao redor de 1300 ºC para máxima taxa de densificação e porosidade entre 6,0 e 14%. Os resultados da redução em atmosfera de H2 dos compósitos confirmam que a cinética de reação ocorre em duas etapas, sendo que a primeira etapa com comportamento linear é controlada por reação química na superfície. Na segunda etapa a redução passa a ser controlada pela difusão do gás nos micros poros, gerados pela redução do NiO, diminuindo a taxa de redução. / This study aim the definition of synthesis and ceramic processing conditions of the anodic component suitable for operation of SOFC, i.e, homogeneous distribution of NiO in YSZ matrix and porosity after reduction above 30%. The selected synthesis routes included the co-precipitation in ammonia media, mechanical mixing of powders and combustion reaction from nitrate salts. The characterization techniques of powders included the X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy, laser diffraction, nitrogen gas adsorption technique (BET) and Helium pycnometry. The obtained results indicated that the loss of Ni2+ in co-precipitation process, due to the formation of complex [Ni(NH3)n]2+, can be minimized by controlling the pH around 9.3, keeping the concentration of nickel cation in the solution to be precipitated around 0.1M. In the mechanical mixing method the best condition of powder dispersion, without differential sedimentation, was obtained for zeta potential values at pH around 8.0, fixing the dispersant concentration at 0.8%. For the combustion synthesis it was observed that when stoichiometric and twofold stoichiometric urea was used, amorphous phase was formed and a higher surface area was attained in the final products. Employing the fuel-rich solution condition, crystallization of the powder was observed and the relative intensity of reflections of XRD patterns increased with excess of fuel, due to increasing the reaction temperature. Sinterability studies of pellets prepared from powder synthesized by the three routes described above showed the temperature around 1300 º C for maximum rate densification and porosity between 6.0 and 14%. Reduction results of the composites confirmed that the reduction kinetics occurs in two steps. The first one with a linear behavior and controlled by chemical reaction on the surface. The second reduction step is the reduction that is controlled by gas diffusion in micro pores, generated by reduction of nickel oxide, decreasing the rate of reduction.

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. / The fabrication and characterization of Nafion - TiO2 composites, and the use of such electrolytes in PEM (Proton Exchange Membrane) fuel cell operating at high temperature (130 °C) were studied. The operation of a PEM fuel cell at such high temperature is considered as an effective way to promote fast electrode reaction kinetics, high diffusional transport, and high tolerance to the carbon monoxide fuel contaminant. The polymer Nafion® is the most used electrolyte in PEM fuel cells due to its high proton conductivity. However, the proton transport in Nafion is dependent on the water content in the polymeric membrane. The need of absorbed water in the polymer structure limits the operation of the fuel cell to temperatures close to 100 °C, above which Nafion exhibits a fast decrease of the ionic conductivity. In order to increase the performance of the electrolyte operating at high temperatures, Nafion-TiO2 composites have been prepared by casting. The addition of titania hygroscopic particles to the polymeric matrix aims at the enhancement of the humidification of the electrolyte at temperatures above 100 °C. Three types of titania particles with different specific surface area and morphology have been investigated. Nafion-based composites with the addition of titania nanoparticles, in the 2.5-15 wt.% range, with nearly spherical shape and specific surface area up to ~115 m2g-1 were found to have higher glass transition temperature than the polymer. Such an increase improves the stability of the electrolyte during the fuel cell operation at high temperatures. The addition of titania-derived nanotubes results in a pronounced increase of the performance of PEM fuel cell operating at 130 °C. In this composite, the high specific surface area and the tubular shape of the inorganic phase are responsible for the measured increase of both the absorption and retention of water of the composite electrolyte. Nonetheless, the polarization curves of fuel cell using the composite electrolytes exhibited an increase of the ohmic polarization associated with the addition of the insulating titania particles. As the chemical structure of Nafion was observed to be insensitive to the addition of the inorganic particles, the high performance of the composite electrolytes is a result of competing effects: the decrease of the electrical conductivity and a higher thermal stability or water absorption/retention capacity. The experimental results suggest that the Nafion-TiO2 composites are promising electrolytes for PEM fuel cells operating at temperatures above ~100 °C.