A busca pelo uso de energia renovável, bem como a mitigação dos impactos antropogênicos, desempenha importante papel no desenvolvimento da sociedade contemporânea. O uso de energia de origem renovável é uma possível solução para os problemas relacionados aos impactos ambientais, em especial, às alterações climáticas. Uma importante fonte de energia renovável é a biomassa oriunda de resíduos orgânicos que, após a digestão anaeróbia, resulta em um gás rico em metano, conhecido como biogás. Sob o ponto de vista de qualidade ambiental, o aproveitamento energético dos resíduos produzidos a partir do tratamento das águas residuárias domésticas pode minimizar os impactos ambientais à medida que permite a diminuição da carga orgânica descartada na água e no solo. Adicionalmente, também é possível mitigar os efeitos negativos de emissões de metano na atmosfera quando o biogás é utilizado na produção de energia por meio das células a combustível (CaC) do tipo óxido sólido (SOFC). Neste sentido, o presente trabalho objetivou avaliar o ciclo de vida da ETE, da unidade geradora de biogás, sua purificação e uso em CaCs, identificando o potencial de mitigação dos gases do efeito estufa e de aproveitamento energético do biogás. Dentre os principais resultados obtidos, a etapa construtiva, é a principal contribuinte da demanda acumulada de energia, participando com 55% da CED, enquanto a etapa de tratamento do esgoto, fase líquida, destaca-se na produção de emissões atmosféricas, cerca de 23.500 Kg CO2 eq por dia. O potencial de emissões dos gases de efeito estufa podem ser evitados, durante todo o ciclo, em cerca de 3.000 kg CO2 eq por dia. A energia total que pode ser aproveitada com o biogás gerado na ETE e usado em CaC, do tipo SOFC, é de cerca de 14.000 kWh/dia, o que pode suprir em 100% a demanda de eletricidade da fase de tratamento. Os resultados apresentados lançam um desafio e geram oportunidades para pesquisadores e planejadores de sistemas energéticos desenvolverem estratégias ambientalmente saudáveis para a utilização dos recursos renováveis. / The search for renewable energy use and mitigation of anthropogenic impacts play an important role in the development of contemporary society. The use of energy from renewable sources is a possible solution to the problems related to environmental impacts, in particular, climate change. An important renewable energy source is biomass deriving from organic waste, after the anaerobic digestion, resulting in a gas rich in methane, known as biogas. From the point of view environmental quality, energy recovery of waste generated from the treatment of domestic wastewater can minimize environmental impacts as it allows the reduction of organic load dropped in water and soil. Additionally, it is also possible to mitigate the negative effects of methane emissions in the atmosphere when the biogas is used in the production of energy through solid oxide fuel cells (SOFC). In this sense, this study aimed at assessing the life cycle of a Wastewater Treatment Plant (WWTP), the biogas-generating unit, its purification and fuel cells use by identifying the potential mitigation of greenhouse gases and energy use of biogas. Among the main results obtained, the constructive phase is the main contributor to the cumulative energy demand, accounting for 55% of the CED, while in the step of sewage treating its particularly important the production of atmospheric emissions, about 23,500 kg CO2eq per day. The potential for emissions of greenhouse gases can be avoided throughout the cycle, at around 3,000 kg CO2eq per day. The total energy that can be produced with the biogas generated in WWTP and burned in the SOFC is approximately 14,000 kWh/day, which can provide 100% of the power demand of the treatment phase. The results presented launch challenges and generate opportunities for researchers and energy systems planners to develop strategies for environmentally healthy use of renewable resources.

Este trabalho apresenta a contribuição obtida no desenvolvimento de um Gerador de Eletricidade Híbrido (HYBRIDGEN), com tecnologia nacional, focado nos sistemas de terceira geração de energia elétrica híbrido, composto por um módulo de células a combustível tipo PEMFC, associado a um acumulador chumbo ácido. Mostra-se também a sua capacidade de operar em modo contínuo, carga com demanda variável e fator de carga inferior a 50%. Foram abordados quatro temas principais. O primeiro refere-se a um estudo para a melhoria da eficácia na conversão de energia em corrente contínua (cc), ao regular o potencial de saída do conversor cc-cc. A energia é proveniente do módulo de célula a combustível de 1 kWe, equipado com sistema térmico de refrigeração e sistema de alimentação de gases, aqui denominados MCC1. Para tal, foi construído o modelo matemático do sistema conversor de corrente contínua (sistema conversor cc-cc), com solução suportada em equações diferenciais algébricas, ensaios no MCC1, bem como em simulação computacional no programa MATLAB7®. O segundo tema refere-se ao desenvolvimento do projeto e montagem do protótipo do HYBRIDGEN devido à inexistência no mercado brasileiro de um equipamento com as características necessárias tanto para a pesquisa, quanto para uso comercial. Desenvolveu-se uma placa controladora para o acumulador (PCC), os esquemas elétricos, os barramentos e o sistema de relés. Também foi utilizado o MCC1 em desenvolvimento pelo IPEN e ELECTROCELL® com tecnologia 100% nacional. O HYBRIDGEN foi instalado em um sistema móvel. O terceiro tema refere-se à análise de estabilidade do modelo matemático do sistema conversor cc-cc. Utilizou-se de quatro testes de estabilidade, sendo: 1 - pela Resposta em Frequência ao utilizar o Teorema do Mapeamento, de Nyquist; 2 - Lugar das Raízes, de Nyquist; 3 - função de teste Degrau, em pontos de operação e, 4 - função de teste Impulso, em pontos de operação. Por fim, apresentaram-se os resultados dos ensaios de potencial e corrente de uma célula a combustível unitária de 25 cm2, do MCC1, e do HYBRIDGEN. No desenvolvimento dos primeiros testes o MCC1 atingiu 704,55 We, (potência considerada condição predominante de operação). A seguir, demonstrou-se a capacidade do HYBRIDGEN para simultaneamente: alimentar cargas em corrente contínua; carregar o acumulador de 45 Ah; alimentar o inversor de 2 kWe e o autotransformador, para fornecer energia a equipamentos em 12Vcc, 127 Vac e 220Vac, 60 Hz, todos num total de 819,52 We. Esses resultados foram obtidos mesmo com limitações na refrigeração ventilada do MCC1, observadas no decorrer dos testes. Assim, o HYBRIDGEN se mostrou viável tecnicamente, e com grande potencial de uso. / This work presents the contribution obtained by the development of the Hybrid Electric Power Generation System (HYBRIDGEN), with Brazilian technology, focused on third generation hybrid system, composed of the fuel cell type PEMFC, associated with a lead acid battery, and shows its variable load demand continuous mode operate ability with load factor below 50%. Four main themes were addressed. The first refers to a study concerning the to direct current (DC) energy converting efficiency improvement to regulate the dc-dc converter output potential. Power comes from the 1 kWe fuel cell stack, equipped with thermal cooling system and gas supply system, here named MCC1. After that a dc-dc converter system mathematical model was built supported on differential algebraic equations solution, the MCC1 trials, as well as in MATLAB7® program computer simulation. The second theme concerns the HYBRIDGEN prototype project and assembly due to lack on equipment on the Brazilian market with the necessary features for both research and for commercial use. Then, a charge controller card (CCC), wiring diagrams, copper bus and relay system were developed. A MCC1 developed by IPEN and ELECTROCELL® with Brazilian technology was use. The HYBRIDGEN can be installed in a mobile system. The third refers to a study concerning the stability analysis of the dc-dc converter system mathematical model. Four stability tests were addressed, namely: 1- The Frequency Response was used the Nyquist Mapping Theorem, 2 - The Nyquist Root Locus , 3 - The Step Test Function on operating points, and 4 - The Impulse Test Function on operating points. Finally, experiments with a 25 cm2 fuel cell unit, the MCC1 module and the HYBRIDGEN were carried out to, potential and current results. In the first MCC1 tests delivered a power output of 704.55 W (considered dominant operation power). Then, it was demonstrated the HYBRIDGEN ability to 819.52 We supply power, simultaneously: direct current loads, charge a 45Ah battery, a 2 kWe inverter and the autotransformer to supply power 12 Vcc, 127Vac, 220Vac, 60 Hz equipment. These results were achieved despite the MCC1 limit in the cooling system observed during the tests. Then, the HYBRIDGEN could be demonstrated technically feasible, and leading to great potential uses.

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. / Energy is a resource that presents historical trend of growth in demand. Projections indicate that future energy needs will require a massive use of hydrogen as fuel. The use of systems based on the use of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has features that allow its application for stationary applications, automotive and portable power generation. The use of hydrogen as fuel for PEMFC has the advantage low pollutants emission, when compared to fossil fuels. For the reactions in a PEMFC is necessary to build membrane electrode assembly (MEA). And the production of MEAs and its materials are relevant to the final cost of kW of power generated by systems of fuel cell. This represent currently a technological and financial barriers to large-scale application of this technology. In this work a process of MEAs fabrication were developed that showed high reproducibility, rapidity and low cost by sieve printing. The process of sieve printing and the ink composition as a precursor to the catalyst layer were developed, which allow the preparation of electrodes for MEAs fabrication with the implementation of the exact catalyst loading, 0.6 milligrams of platinum per square centimeters (mgPt.cm-2) suitable for cathodes and 0.4 mgPt.cm-2 for anode in only one application step per electrode. The ink was developed, produced, characterized and used with similar characteristics to ink of sieve printing build for other applications. The MEAs produced had a performance of up to 712 mA.cm-2 by 600 mV to 25 cm2 MEA area. The MEA cost production for MEAs of 247.86 cm2, that can generate 1 kilowatt of energy was estimated to US$ 7,744.14 including cost of equipment, materials and labor.

Os componentes do conjunto membrana/eletrodos (MEA) das células a combustível de membrana de eletrólito polimérico/Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) são sensíveis a impurezas, as quais podem vir do ar, do gás combustível e/ou da degradação dos componentes do módulo. Amônia, sulfeto de hidrogênio e monóxido de carbono são juntos os três principais subprodutos cotaminadores nos processos de geração de hidrogênio por reforma de combustíveis. Estes contaminadores afetam negativamente o desempenho das PEMFCs, assim é importante o entendimento destes efeitos para mitigá-los e introduzir a tecnologia das PEMFCs no mercado consumidor. Desta forma experimentos foram realizados visando diagnosticar os efeitos da amônia e do sulfeto de hidrogênio sobre os componentes do MEA das PEMFCs. Para a contaminação por sulfeto de hidrogênio foi provado, utilizando-se da técnica de cromatografia gasosa e de stripping, que a contaminação ocorre através da interação química e eletroquímica do contaminador com a superfície do catalisador de platina, e que estas interações ocorrem via um processo dissociativo e um processo oxidativos respectivamente. Estes processos de interação geram enxofre adsorvido sobre a superfície da platina, a qual é bloqueada para posterior oxidação de hidrogênio, gerando sobrepotenciais que reduzem a diferença de potencial da célula. Utilizando-se da técnica de cromatografia gasosa e agora de voltametria cíclica foi mostrado na PEMFC, que durante o processo de remoção do enxofre adsorvido a platina dióxido de enxofre é gerado. Ainda na PEMFC, foi mostrado utilizando-se da técnica de \"air bleed\" que maiores tolerâncias ao sulfeto de hidrogênio podem ser alcançadas, apesar de ser insignificante. Para o caso da contaminação da PEMFC por amônia, indiretamente foi mostrado, utilizando-se técnicas eletroquímicas solução de ácido perclórico, que amônia pode afetar a reação de redução de oxigênio pela sua adsorção sobre a superfície do catalisador, ou pelo bloqueio da mesma para posterior adsorção/redução de oxigênio. Em estudos de absorção de água e condutividade de membranas de NafionTM, sob diferentes frações catiônicas (prótons/amônio), em contato com água na fase vapor sob diferentes atividades, foi mostrado que quanto maior a concentração de íons contaminadores no eletrólito menor a quantidade de água absorvida e menor a condutividade da membrana. Também foi mostrado que se tais membranas fossem usadas como eletrólito em PEMFCs, o desempenho da célula seria afetado drasticamente por perdas ôhmicas. Também foi mostrado que sob contaminação por amônia, PEMFCs sofrem aumentos em resistências ôhmicas devido a reduções na condutividade do eletrólito, contudo foi provado que esta representa menos de dez por cento do total de perdas observadas no desempenho da célula. Desde estudo foi concluído que amônia afeta o desempenho das PEMFCs principalmente pela redução na atividade dos prótons na camada catalítica catódica, que causa reduções no potencial misto de equilíbrio da reação de redução de oxigênio, e portanto na diferença de potencial da célula. Finalmente foi provado indiretamente que amônia deixa a célula através do equilíbrio de amônio com água, o qual deslocado gera amônia, a qual deixa a célula junto com o fluxo de gás cotódico. / The Membrane Electrode Assembly components of a PEMFC are sensitive to impurities, which can came with the air or hydrogen stream, or from the degradation of the stack components. Ammonia, hydrogen sulfide and carbon monoxide are together the main sub-products of fuel reforming processes for generating hydrogen. These contaminants negatively affect the PEMFC performance, so it is important to understand what those effects are in order to mitigate them and introduce PEMFC technology in the mass market. Therefore, experiments were carried out to diagnose the effects hydrogen sulfide and ammonia have on the MEA components of PEMFCs. For contamination by hydrogen sulfide it was proved utilizing EMS and stripping techniques that the poisoning process happens by chemical and electrochemical interactions of the contaminant with the Platinum catalyst surface, and that these interactions happen by a dissociative and oxidative process, respectively. Those processes generate sulfur adsorbed on the Platinum surface, which blocks it for further hydrogen oxidation, generating overpotentials, which reduce the cell potential. Utilizing the EMS and now the cyclic voltammetry technique it was shown that during the process of removing sulfur from the Platinum surface one generates sulfur dioxide. Using the Air Bleed technique it was shown that higher tolerances of the PEMFC against hydrogen sulfide can be reached, despite being insignificant. For contamination of the cell by ammonia it was indirectly proved utilizing electrochemical techniques in perchloric acid solutions that ammonia can affect the oxygen reduction reaction by adsorbing on the catalyst surface, or by blocking the surface for further oxygen adsorption/reduction. Studying water uptake and ionic conductivity of Nafion membranes under many different cation fractions (proton/ammonium) in contact with water vapor at different temperatures and water activities, it was proved that the more ammonium one has in the membrane the less will be the water uptake and ionic conductivity of it. It was also shown that if those membranes were used as electrolyte in PEMFC the cell performance would be severely affected by ohmic losses. It was also shown that under ammonia exposure PEMFCs suffer by ohmic resistance increases due to the lowering in the ionic conductivity of the electrolyte, however it was proved that it represent less than ten percent of the observed losses in the cell performance. From this study it was concluded that ammonia mainly affect the PEMFC performance by lowering the cathode catalyst layer proton activity, which lowers the oxygen reduction reaction equilibrium potential, and then the cell potential. Finally it was indirectly proved that ammonia leaves the cell by the equilibrium of ammonium and water, which dislocated generates ammonia that leaves the cell together with the cathode gas stream.

O objetivo do presente trabalho foi avaliar a estabilidade de eletrocatalisadores de Pt/C e ligas binárias de Pt-Co/C e Pt-Ni/C contendo 20% em massa de metal sobre carbono frente à reação de redução de oxigênio em células eletroquímicas. O trabalho experimental desenvolvido compreende várias etapas como preparação de catalisadores, tratamento térmico e preparação de eletrodos. O catalisador foi preparado pela redução de precursores com borohidreto de sódio, e suportado em carbono de alta área superficial (Vulcan XC-72, Cabot, 240m2g-1). O eletrodo da célula é um eletrodo de difusão de gás (EDG) de alta área superficial. Os catalisadores foram tratados termicamente em atmosfera de H2 a 550°C por uma hora. Os testes de estabilidade foram 30h de cronoamperometria ou ciclagem de potencial totalizando 1000 ciclos. Absorção Atômica, DRX (difração de raios-x) e EDX (energia dispersiva de raios-x) foram feitos antes e após os experimentos. Em geral observou-se que os catalisadores de Pt-Co/C e Pt-Ni/C apresentaram maior atividade para a RRO comparados a Pt/C, mas em contrapartida estes materiais sofrem corrosão e após algumas horas de operação há dissolução de metal e a atividade decresce muito. Os testes de cronoamperometria revelaram maior estabilidade de corrente para os materiais bimetálicos, o que não ocorre na ciclagem. Pt/C destaca-se após a ciclagem de potencial apresentando maior atividade comparado aos experimentos iniciais. A perda de atividade das ligas devese a dissolução do metal menos nobre diminuindo a área ativa e favorecendo a formação de aglomerados de Pt/C na superfície. Desta forma Pt/C ganha destaque após a dissolução de Co e Ni que inicialmente apresentaram bons resultados. Com relação aos materiais tratados termicamente o tamanho de cristalito para todos aumenta, decrescendo muito a atividade catalítica, mas em contrapartida torna-os mais estáveis em relação a perdas por dissolução dos metais. / The aim of the present work was to evaluate the stability of Pt/C and bi-metallic Pt- Co/C and Pt-Ni/C electrocatalysts, containing 20 mass % of metal on carbon, for the oxygen reduction reaction (ORR) in fuel cells. The experimental work encompassed several steps such as catalyst syntheses, heat treatments, and electrode preparation. The catalysts were synthesized by reducing precursors with sodium borohydride on high surface area carbon (Vulcan XC-72, Cabot, 240 m2g-1). The working electrode is a high surface area gas diffusion electrode (GDE). The catalysts were heat treated in a hydrogen atmosphere for 1 hour at 550oC. The stability tests performed were 30h of cronoamperometry and potential cycling up to 1000 cycles. The catalysts were characterized by atomic absorption, x-ray diffraction (XRD), and energy dispersive x-ray spectrometry (EDX), performed before and after the electrochemical tests. The Pt-Co/C and Pt-Ni/C catalysts presented higher activity for the ORR when compared with that of the Pt/C catalyst. Conversely, these bi-metallic catalysts underwent a corrosion process, resulting in metal dissolution and activity decrease after a few hours of operation. The cronoamperometry tests revealed higher current stability for the bi-metallic catalysts, which was not the case during cycling. Pt/C stands out after potential cycling showing greater activity in initial experiments. The decrease of activity observed for the bi-metallic catalysts was ascribed to the dissolution of the less noble metal, decreasing the active area and favoring the formation of Pt/C agglomerates on the surface. Thus, Pt/C presents better performance than the bi-metallic catalysts after the dissolution of Co and Ni. Concerning the heat treated materials, an increase of the crystallite size was observed for all the catalysts, resulting in a large drop of the catalytic activity but, on the other hand, an increase of the stability of the bi-metallic catalysts against metal dissolution.

O desenvolvimento de células de combustível de formato direto encontra obstáculos importantes relacionados com a lenta cinética da reação de redução de oxigênio e baixa tolerância ao formato em cátodos baseados em Pt. Neste estudo, foram sintetizados eletrocatalisadores com diferentes estruturas, formados por elementos abundantes, e suas atividades e seletividades para a RRO foram testadas em meiacélulas e em células unitárias de formato / ar, em eletrólito alcalino. Os resultados mostraram que nanopartículas de liga de ferro-cobalto, encapsuladas por carbono grafítico, e nitretos metálicos nanoestruturados, suportados em carbono, (caracterizados por TEM e XRD) não apresentam atividades eletrocatalíticas superiores ao carbono puro (Vulcan amorfo ou grafitizado). Carbono dopado com nitrogênio (N-C) mostrou um aumento no potencial de meia-onda, evidenciando um influente papel do nitrogênio na eletrocatálise da RRO, mas com alto sobrepotencial. A inserção de oxigênio via tratamento térmico em ar, formando óxidos de FeCo nanoestruturados, suportados por carbono, produziu, como esperado, um aumento considerável na atividade, mostrando que a ligação do ferro ou cobalto com o oxigênio tem papel importante, provavelmente, na alta reatividade redox para a transferência de elétrons para o RRO. A adição de um precursor de nitrogênio durante a síntese (imidazol) resultou na formação de estruturas formadas por átomos de ferro e cobalto, coordenados por nitrogênio, inseridos em uma matriz de carbono, como revelado por EXAFS, mostrou que as estruturas M-N-C têm papel decisivo na atividade eletrocatalítica para a RRO (aproximando-se da Pt/C) e, também, mostrou alta tolerância à presença de íons formato. Experimentos em células a combustível unitárias, com difusão natural de formato e com cátodo aberto ao ar, com elétrodo de difusão de gás, mostraram densidades de potência de 15,5 e 10,5 mW cm-2 com eletrólitos à base de hidróxido e carbonato de potássio, respectivamente, e com estabilidade de operação maior que 120 h a 0,3 mA cm-2. Portanto, os resultados deste trabalho mostram o papel decisivo de estruturas M-NC (coordenadas) na alta atividade para a ORR, em altos potenciais, excluindo-se atividades atribuídas a nanoestruturas de nitretos metálicos e nanopartículas metálicas encapsuladas, incluindo as dopadas por nitrogênio na superfície. / The development of direct formate fuel cells encounters significant obstacles related to the slow kinetics of the oxygen reduction reaction (ORR) and low formate tolerance in Pt-based cathodes. In this study, electrocatalysts with different structures, composed of abundant elements, were synthesized, and their activities and selectivities for the ORR were tested in half-cells and in single cells in alkaline electrolyte. The results showed that carbon-encapsulated nanoparticles of iron-cobalt alloy and carbon-supported nanostructured metal nitrides (characterized by TEM and XRD) do not present electrocatalytic activities superior to pure carbon (amorphous or graphitized Vulcan). Nitrogen-doped carbon (N-C) showed an increase in the halfwave potential, evidencing an influential role of nitrogen in the electrocatalysis of the ORR, but with a high overpotential. The insertion of oxygen through heat treatment in air, forming carbon-supported nanostructured FeCo oxides, produced, as expected, an increase in activity, probably due to the high oxide reactivity for the electronic mediation processes for the ORR. The addition of a nitrogen precursor during the synthesis (imidazole) resulted in the formation of structures formed by iron and cobalt atoms, coordinated by nitrogen, inserted in a carbon matrix, as revealed by EXAFS, and showed that M-N-C structures play a decisive role in the electrocatalytic activity for the ORR (approaching Pt/C) and, also, showed high tolerance to the presence of ions format. Experiments in single cells with air-breathing cathode and with natural diffusion of formate, showed power densities of 15.5 and 10.5 mW cm-2 with hydroxide and carbonate-based electrolytes, respectively, and with operating stability higher than 120 h at 0.3 mA cm-2. Therefore, the results of this work show the decisive role of M-N-C structures (coordination) in the high activity for the ORR, in high potentials, excluding activities attributed to nanostructures of metallic nitrides and encapsulated metallic nanoparticles, including those doped by surface nitrogen.

O presente trabalho aborda a análise e o desenvolvimento de conversores CC-CC com alto ganho de tensão, para aplicações com fontes de energia de baixíssima tensão, porém capazes de fornecer altas correntes, como: painéis fotovoltaicos, células a combustível e baterias. O principal objetivo deste trabalho é elevar a tensão de uma única célula a combustível até um nível adequado de tensão para realizar a carga de uma bateria com tensão nominal de aproximadamente 12 V, de modo eficiente, com baixa ondulação na corrente de entrada do conversor e com baixa ondulação na tensão de saída. Para alcançar o objetivo proposto, dezenas de topologias de conversores foram estudadas, analisadas, simuladas e implementadas. O trabalho também apresenta uma comparação entre topologias de conversores CC-CC que realizam a transferência de energia por meio de indutores acoplados, com uma topologia de conversor que opera com transferência direta de energia por meio de um transformador. Por fim, os resultados experimentais são apresentados com o intuito de validar os resultados simulados e teóricos. / This work shows the analysis and development of DC-DC converters with high voltage gain, for applications with energy sources of low input voltage, but capable of providing high currents, such as: photovoltaic panels, fuel cells and batteries. The main objective of this work is to raise the voltage of a single fuel cell to a suitable vol-tage level to efficiently charge a battery with rated voltage of approximately 12 V, with low current ripple in the converter and with low output voltage ripple. To achieve the proposed objective, dozens of topologies of converters were studied, analyzed, simulated and implemented. This work shows a comparison between topologies of DC-DC converters that perform power transfer via coupled inductors, with a converter topology operating with direct energy transfer through a transformer. Finally, experimental results are presented in order to validate the theoretical and simulated results.

Neste trabalho, os sistemas de eletrocatalisadores platina-rutênio (PtRu/C) e platina-estanho (PtSn/C) suportados em carbono de alta área superficial XC72R (Cabot) foram preparados pela redução química de precursores metálicos em solução usando o ácido cítrico como agente redutor. Os eletrocatalisadores foram preparados em diferentes valores de pH, com o objetivo de obter as condições de sínteses mais otimizadas para cada um dos sistemas preparados. O método otimizado mostrou-se eficiente na redução e ancoragem de todos os metais presente em solução, sendo possível preparar tanto catalisadores com baixos teores de segundo metal (razão atômica entre Pt:M = 90:10) quanto catalisadores com altos teores de segundo metal (Pt:M = 50:50). Os eletrocatalisadores obtidos foram caracterizados por espectroscopia de energia dispersiva de raios X, difração de raios X e microscopia eletrônica de transmissão. A atividade frente a eletro-oxidação de metanol e etanol foi avaliada através de voltametria cíclica e cronoamperometria em célula eletroquímica. Para os catalisadores com melhores desempenhos eletroquímicos foram realizados experimentos em célula a combustível unitária alimentada diretamente por metanol ou etanol. O desempenho dos eletrocatalisadores preparados foi comparado com o desempenho dos eletrocatalisadores comerciais Pt50Ru50/C e Pt75Sn25/C da linha HP (High Performance) fornecidos pela E-TEK, considerados como referência nos estudos frente a eletro-oxidação de alcoóis. Para eletro-oxidação do metanol foram obtidos eletrocatalisadores com desempenho comparável ao E-TEK e para eletro-oxidação de etanol foram obtidos eletrocalisadores com desempenho superior aos catalisadores E-TEK. / In this work, platinum ruthenium (PtRu/C) and platinum tin (PtSn/C) electrocatalysts were prepared by a chemical reduction process using citric acid as reducing agent and high surface area Vulcan Carbon XC72R (Cabot) as supports. The PtRu/C and PtSn/C catalysts were characterized by energy dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffraction and transmission electron microscopy. The electro-oxidation of methanol and ethanol were studied at room temperature by cyclic voltammetry and chronoamperometry. Single fuel cell experiments were carried at 90 °C and the performance of the homemade electrocatalysts prepared by citric acid method in optimized conditions were compared with commercial Pt50Ru50/C and Pt75Sn25/C E-TEK HP (High Performance) catalysts. For methanols electro-oxidation electrocatalysts with comparable E-TEKs catalysts performance were obtained and for ethanols electro-oxidation electrocatalysts with superior performance than E-TEKs electrocatalysts were obtained.

Foram preparados eletrocatalisadores PtSnCu/C (com diferentes razões atômicas Pt:Sn:Cu) e PtSn/C (50:50) com 20 % em massa de metais pelos métodos da redução por borohidreto (IRB) e redução por álcool (RA). Utilizou-se H2PtCl6.6H2O, SnCl2.2H2O e CuCl2.2H2O como fonte de metais, NaBH4 e etilenoglicol como agentes redutores, 2-propanol e etilenoglicol/água como solventes e carbono como suporte. Numa segunda etapa, estes eletrocatalisadores foram ativados pelos processos de dealloying químico (DQ), por tratamento com HNO3 e dealloying eletroquímico (DE), utilizando a técnica de eletrodo de camada fina porosa. Os materiais obtidos foram caracterizados por energia dispersiva de raios-X (EDX), difração de raios-X (DRX), microscopia eletrônica de transmissão (MET), energia dispersiva de raios-X de varredura linear (EDX-VL) e voltametria cíclica (VC). Estudos eletroquímicos para a oxidação eletroquímica do etanol foram realizados por voltametria cíclica, cronoamperometria e células unitárias (conjunto eletrodos/membrana). Os efluentes anódicos provenientes dos testes em células unitárias foram analisados por cromatografia a gás de alta eficiência (CG). Os difratogramas de raios-X dos eletrocatalisadores sintetizados mostraram a típica estrutura cúbica de face centrada (CFC) de liga de platina e após tratamento por dealloying, observou-se que a estrutura (CFC) foi preservada. O tamanho de cristalito dos eletrocatalisadores como preparados variou na ordem de 2 nm a 3 nm e, após processos de dealloying, não foram observadas variações de tamanho significativas. Análises por EDX dos eletrocatalisadores como preparados mostraram similaridade entra a razão atômica Pt:Sn e Pt:Sn:Cu obtida e a nominal. Após dealloying químico e eletroquímico, observou-se variação nas razões atômicas Pt:Sn e Pt:Sn:Cu, indicando a remoção parcial de Cu e Sn. Contudo, o processo de dealloying químico mostrou-se mais eficiente para a remoção de Cu e o dealloying eletroquímico para a remoção de Sn. As análises por EDX-VL mostraram que os processos de dealloying foram efetivos na remoção dos átomos mais superficiais de Cu e/ou Sn da estrutura CFC da Pt. Os resultados obtidos por cronoamperometria e voltametria cíclica mostraram que os eletrocatalisadores com teores de Pt maiores ou iguais a 30 %, após dealloying químico e eletroquímico apresentaram melhora significativa na atividade eletrocatalítica para a oxidação eletroquímica do etanol no potencial de interesse (0,5 V). Os eletrocatalisadores que apresentaram maior eficiência para oxidação eletroquímica do etanol foram PtSn/C (50:50) IRB/DE > PtSnCu/C (50:40:10) RA/DE > PtSnCu/C (50:10:40) IRB/DQ. Foram testados em células unitárias alimentadas diretamente com etanol os eletrocatalisadores PtSn/C (50:50) IRB/DQ, PtSnCu/C (50:10:40) IRB/DQ, PtSnCu/C (50:40:10) RA/DQ e os eletrocatalisadores comerciais Pt/C BASF e PtSn/C (75:25) BASF. Os eletrocatalisadores apresentaram a seguinte ordem de desempenho: PtSn/C (50:50) IRB/DQ > PtSnCu/C (50:40:10) RA/DQ > PtSn/C (75:25) BASF > PtSnCu/C (50:10:40) IRB/DQ > Pt/C BASF. Análises por cromatografia gasosa dos efluentes anódicos desses eletrocatalisadores mostraram formação de ácido acético e acetaldeído como produtos principais. / PtSnCu/C (with different Pt:Sn:Cu atomic ratios) and PtSn/C (50:50) electrocatalysts were prepared by borohydride (BR) and alcohol-reduction (AR) processes using H2PtCl6.6H2O, SnCl2.2H2O and CuCl2.2H2O as metal sources, NaBH4 and ethylene glycol as reducing agents, 2-propanol and ethylene glycol/water as solvents and carbon black as support. In a further step, these electrocatalysts were activated by chemical (CD) and electrochemical (ED) dealloying processes through acid treatment and thin porous coating technique, respectively. These materials were characterized by energy dispersive X-ray, X-ray diffraction, transmission electron microscopy, line scan energy dispersive X-ray and cyclic voltammetry. Electrochemical studies for ethanol electro-oxidation were performed by cyclic voltammetry, chronoamperometry and in single Direct Ethanol Fuel Cell using Membrane Electrode Assembly (MEA). The anodic efluents were analised by gas chromatrography. The X-ray diffractograms of the as-synthesized electrocatalysts showed the typical face-centered cubic structure (FCC) of platinum and its alloys. After dealloying, the X-ray diffractograms showed that the Pt FCC structure was preserved. The crystallite sizes of the as-synthesized electrocatalysts were in the range of 2 nm to 3 nm and after dealloying there were no significant variations in sizes. The energy dispersive X-ray analysis of the as-synthesized electrocatalysts showed a Pt:Sn and Pt:Sn:Cu atomic ratios similar to the nominal values. After chemical and electrochemical dealloying of the electrocatalysts the ranged Pt:Sn and Pt:Sn:Cu atomic ratios showed that Cu and Sn atoms were removed. However, chemical dealloying process proved to be more efficient for removing Cu and electrochemical dealloying for removing Sn. The line scan energy dispersive X-ray analysis showed that acid and electrochemichel treatments were efficient to dealloying Cu and/or Sn superficial atoms of the FCC structure of Pt. The results obtained by cyclic voltammetry and chronoamperometry showed that electrocatalysts containing 30 at % or more of platinum, after chemical and electrochemical dealloying had significant improvement in electrocatalytic activity for ethanol electro-oxidation in the potential of interest. The electrocatalysts with higher efficiency for electrochemical oxidation of ethanol were PtSn/C (50:50) BR/ED > PtSnCu/C (50:40:10) AR/ED > PtSnCu/C (50:10:40) BR/CD. PtSn/C (50:50) BR/CD, PtSnCu/C (50:10:40) BR/CD, PtSnCu/C (50:40:10) AR/CD electrocatalysts and Pt/C BASF, PtSn/C (75:25) BASF commercial electrocatalysts were tested in single Direct Ethanol Fuel Cell. The results showed the following peformance for ethanol electro-oxidation: PtSn/C (50:50) BR/CD > PtSnCu/C (50:40:10) AR/CD > PtSnCu/C > PtSn/C (75:25) BASF > PtSnCu/C (50:10:40) BR/CD > Pt/C BASF.

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. / Energy is a resource that presents historical trend of growth in demand. Projections indicate that future energy needs will require a massive use of hydrogen as fuel. The use of systems based on the use of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has features that allow its application for stationary applications, automotive and portable power generation. The use of hydrogen as fuel for PEMFC has the advantage low pollutants emission, when compared to fossil fuels. For the reactions in a PEMFC is necessary to build membrane electrode assembly (MEA). And the production of MEAs and its materials are relevant to the final cost of kW of power generated by systems of fuel cell. This represent currently a technological and financial barriers to large-scale application of this technology. In this work a process of MEAs fabrication were developed that showed high reproducibility, rapidity and low cost by sieve printing. The process of sieve printing and the ink composition as a precursor to the catalyst layer were developed, which allow the preparation of electrodes for MEAs fabrication with the implementation of the exact catalyst loading, 0.6 milligrams of platinum per square centimeters (mgPt.cm-2) suitable for cathodes and 0.4 mgPt.cm-2 for anode in only one application step per electrode. The ink was developed, produced, characterized and used with similar characteristics to ink of sieve printing build for other applications. The MEAs produced had a performance of up to 712 mA.cm-2 by 600 mV to 25 cm2 MEA area. The MEA cost production for MEAs of 247.86 cm2, that can generate 1 kilowatt of energy was estimated to US$ 7,744.14 including cost of equipment, materials and labor.