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.

Made available in DSpace on 2017-07-21T20:43:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ana K.pdf: 5354849 bytes, checksum: 5d4ba75f894ea071a739c12aebbddbe2 (MD5) Previous issue date: 2016-08-09 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Solid oxide fuel cells (SOFC) are devices that convert chemical energy directly into electricity and have shown a good alternative due to its high efficiency (more than 70%) have only components solid and clean energy. Among the biggest advantages are high reliability and low emission reducing the impact on the greenhouse effect. A SOFC comprises an electrolyte and two electrodes, the cathode and the anode, and must provide substantial conductivity, above 0.1 S.cm-1. The ceramics which have excellent electrical properties are compounds based on the structure of the perovskite (ABO3), and some of these have proton and ion conduction. The objective of this study was the synthesis of a perovskite with BaCe0,2Zr0,7Y0,1O3-δcomposition and obtain a dense compound for use as an electrolyte in SOFC. The ceramic compound this composition has enhanced electrical properties, as it has proton conduction. The powders were synthesized by the modified Pechini method, and various processing routes were tested until they found the ideal containing two calcinations, a 350°C for 4 hours and another 900°C for 12 hours. After obtaining the powder were tested two types of grinds, one in vibratory mill for 6 hours and another at high energy mill for 1 hour in order to refine the particle BCZY27 and improve densification of the sample after sintering. It also used the zinc oxide, 2% and 4 mol%, as a dopant assist densification. The characterization of the post was made by X and scanning electron microscopy with EDS rays. The results showed that, as the temperature was 900C possible to obtain the desired phase containing second phases. The sintering was done at 1300°C, 1400°C and 1600°C together with milling in a vibration mill and Spex mill, with the aim of testing the best composition in each. The characterization of the sintered samples was made by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, EDS, dilatometry, porosity and density. Impedance spectroscopy were also made to the atmospheric air and humid air at temperatures from 200 to 600°C with intervals of approximately 25°C the samples possessed apparent porosity of less than 5%. The samples sintered at 1400°C with the addition of 4 mol% of ZnO, proved to be good for the application as an electrolyte because reached full enough electrical conductivity to be used. / As células a combustível de óxido sólido (CaCOS) são dispositivos que convertem energia química diretamente em elétrica e têm se mostrado uma boa alternativa devido a sua alta eficiência (acima de 70%), ter apenas componentes no estado sólido e produzir energia limpa. Entre as maiores vantagens estão a alta confiabilidade e a baixa emissão de gases diminuindo o impacto sobre o efeito estufa. Uma CaCOS é constituída por um eletrólito e dois eletrodos, o catodo e o anodo, e deve apresentar condutividade elétrica considerável, acima de 0,1 S.cm-1. As cerâmicas que apresentam propriedades elétricas são compostos baseados na estrutura da perovskita (ABO3), sendo que algumas dessas apresentam condução protônica e iônica. Assim, o objetivo deste trabalho foi estudar a síntese de uma perovskita com composição BaCe0,2Zr0,7Y0,1O3-δe obter um composto denso para utilização como eletrólito em CaCOS. O composto cerâmico com esta composição possui propriedades elétricas otimizadas, pois apresenta condução protônica. Os pós foram sintetizados pelo método Pechini modificado e foram testadas diversas rotas de processamento até que se considerou a ideal contendo duas calcinações, uma de 350°C por 4 horas e a outra de 900°C por 12 horas. Após a obtenção do pó, foram testados dois tipos de moagens, uma em moinho vibratório por 6 horas e outra em moinho de alta energia por 1 hora, com a finalidade de refinar as partículas de BCZY27 e melhorar a densificação da amostra após a sinterização. Foi utilizado também o óxido de zinco, a 2% e 4% em mol, como dopante auxiliar de densificação. A caracterização dos pós foi feita por difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura com EDS. Os resultados mostraram que, a partir da temperatura de 900ºC foi possível obter a fase desejada contendo segundas fases. As sinterizações foram feitas em 1300°C, 1400°C e 1600°C em conjunto com as moagens em moinho vibratório e moinho Spex, com o objetivo de testar a melhor composição em cada uma delas. A caracterização das amostras sinterizadas foi feita por difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, EDS, dilatometria, porosidade e densidade aparente. Foram feitas também medidas de espectroscopia de impedância ao ar atmosférico e ao ar úmido em temperaturas de 200 até 600°C com intervalos aproximados de 25°C das amostras que possuíram porosidade aparente inferior a 5%. As amostras sinterizadas a 1400°C, com a adição de 4% mol de ZnO, se mostraram boas para a aplicação como eletrólito, pois atingiram a condutividade elétrica total suficiente para sua utilização.

Submitted by Angela Maria de Oliveira (amolivei@uepg.br) on 2019-03-07T18:48:58Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Melina Favaro.pdf: 3032267 bytes, checksum: 0e68f7c9b37bc1a5e64dea76fe33552c (MD5) / Made available in DSpace on 2019-03-07T18:48:58Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Melina Favaro.pdf: 3032267 bytes, checksum: 0e68f7c9b37bc1a5e64dea76fe33552c (MD5) Previous issue date: 2018-08-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Diante de toda a problemática ambiental que vem sendo levantada e discutida há algumas décadas, têm-se desenvolvido diversas alternativas para uma geração de energia que substitua parcial ou totalmente as fontes fósseis, tanto em questão de finitude quanto ambientais. Dentre essas alternativas, as células a combustível de óxido sólido estão ganhando destaque por seu alto rendimento e baixa geração de resíduos. Como qualquer inovação tecnológica, muitos desafios ainda estão sendo superados e há muita demanda de pesquisa para melhorar diversos parâmetros dessas células, tais como: materiais de composição da célula, temperatura de utilização e rendimento energético. O presente trabalho estudou a obtenção e caracterização de um cermeto formado por um condutor protônico com composição BaCe0,2Zr0,7Y0,1O3-δ (BCZY271) com uma segunda fase metálica de níquel pela adição de óxido de níquel, para testar a viabilidade da utilização deste compósito em célula a combustível de óxido sólido. Três proporções da mistura BCZY271-NiO (30/70, 50/50 e 70/30, respectivamente) preparadas e caracterizadas quanto a microestrutura formada e as suas propriedades elétricas. O método utilizado para a síntese do pó da fase BCZY271 foi o Pechini modificado, seu sucesso na formação da composição foi comprovado por meio de Difratometria de Raio X e Microscopia Eletrônica de Varredura com EDS. As diferentes proporções da mistura de BCZY271-NiO sinterizadas a 1400ºC por 4h apresentaram porosidade adequada para utilização como eletrodo de célula a combustível de óxido sólido. O tratamento térmico a 900°C por 6h em atmosfera de H2 (4%) e Ar (96%) mostrou ser eficiente para a redução do óxido de níquel a níquel metálico. A condutividade elétrica total das amostras se mostraram suficientes para utilização como eletrodo de célula a combustível de óxido sólido. / In view of all the environmental problems that have been raised and discussed for some decades, various alternatives have been developed for a generation that partially or totally replaces fossil sources, both in terms of finitude and environmental. Among these alternatives, solid oxide fuel cells are gaining prominence due to their high yield and low waste generation. Like any technological innovation, many challenges are still being overcome and there is a great deal of research demand to improve several parameters of these cells, such as: cell composition materials, temperature of use and energy yield. The present work studied the obtaining and characterization of a cermet formed by a protonic conductor with composition BaCe0,2Zr0,7Y0,1O3-δ (BCZY271) with a second nickel metal phase by the addition of nickel oxide, to test the feasibility of using this composite in solid oxide fuel cell. Three proportions of the blend BCZY271/NiO (30/70, 50/50, 70/30, respectively) were prepared and characterized as to microstructure formed and its electrical properties. The method used for the synthesis of the powder on the phase BCZY271 has modified Pechini, its success in the formation of the composition was confirmed by means of x-Ray Diffraction and Scanning Electron Microscopy with EDS. The different proportions of the blend BCZY271-NiO sintered on 1400ºC for 4 hours showed proper porosity for using as solid oxide fuel cell electrode. The heat treatment on 900°C for 6 hours in atmosphere of H2 (4%) and Ar (96%) was enough to reduce the oxide nickel to nickel metal. The total electrical conductivity of the samples were suitable for using as a solid oxide fuel cell electrode.

O trabalho visa o desenvolvimento do sistema para medidas de distribuição de corrente e ampliação de escala (50 cm²) buscando aperfeiçoar as condições de preparação do conjunto eletrodo membrana (MEA) quanto às condições de operação da célula e avaliar a melhor geometria. Foram realizados estudos de síntese de catalisadores de Pt-M e avaliação do desempenho desses materias e das rotas de síntese utilizadas com objetivo de aplicar estes materias em sistemas de maior escala. A insuficiência do desempenho e estabilidade dos catalisadores são fatores que ainda inviabilizam o uso em larga escala das células a combustível de eletrólito polimérico sólido, destacando-se as perdas associadas ao desempenho do cátodo. Os catalisadores preparados foram nanopartículas bimetálicas PtM/C (M = Fe, Co e Ni) suportadas em carbono de elevada área superficial, por duas rotas sintéticas. Foram utilizadas as rotas: ácido fórmico e etilenoglicol modificado (EG). Em ambas as rotas se buscou catalisadores com alto grau de incorporação do segundo metal, tamanho de partícula pequeno e bom desempenho catalítico do cátodo. Observou-se que pela rota do ácido fórmico com modificações no processo de síntese é possível obter a incorporação nominal do segundo metal no catalisador, porém há desvantagem de o tamanho de partícula ser elevado. Pela rota do EG obteve-se catalisadores com pequeno tamanho de partícula, porém a incorporação do segundo metal mostrou-se ineficiente. Os estudos de ampliação de escala foram realizados em células de 50 cm2 variando-se as condições de operação; i) diferentes placas de distribuição de gás, e ii) diferentes valores de fluxo dos gases reagentes. Foi observado que a baixos fluxos de gases a quantidade de reagente é insuficiente para ser difundida por todo eletrodo, o que ocasiona reação apenas na região de entrada de gases no sistema, ocasionando uma rápida limitação em obter-se densidades de corrente alta. Pode-se observar que a diferença de desempenho entre as placas é pequena, porém a placa serpentina 6 apresentou melhor desempenho. O desempenho dos cátodos preparados com catalisadores comerciais e os sintetizados no laboratório nas células de 50 cm² mostrou sofrer bastante influência das condições de operação comparada com as células de 4,6 cm². / The work aims at the development of the system for current distribution measurements and scale (50 cm²) seeking to improve the conditions of preparation of the membrane electrode assembly (MEA) as the cell operating conditions and evaluate the best geometry. We were performed catalyst synthesis studies of Pt-M and performance evaluation of these materials and the synthetic routes used in order to apply these materials in larger-scale systems. The failure of the performance and stability of the catalysts are factors that make yet infeasible the scale up use for solid polymer electrolyte fuel cells, highlighting the losses associated with the performance of the cathode. The nanoparticles of bimetallic catalysts Pt-M/C (M = Fe, Co and Ni) supported on high surface area carbon were prepared by two different synthetic routes. The synthesis route utilized were formic acid and modified ethylene glycol (EG). In both route search catalysts with a high degree of incorporation of the second metal, small particle size and good catalytic performance. It was observed that the route of formic acid with modifications in the synthesis process it is possible to obtain the average incorporation of the second metal in the catalyst, but there is a disadvantage of the particle size is high. The route of EG modified was obtained catalysts with small particle size, but incorporation of the second metal was inefficient. The scale-up studies were performed in 50 cm2 cell varying operating conditions: i) different gas distribution plates and ii) different values of flow of reactant gases. It was observed that at low gas flows the amount of reagent is insufficient to be spread throughout the electrode, causing reaction only in the region of entry of gases in the system, causing a fast limitation in obtain high current densities. It can be observed that the performance difference between the plates is small, but the plate serpentine 6 showed the best performance. The performance of the cathodes prepared with commercial catalysts and synthesized in the laboratory in 50 cm² cells showed considerable influence the operating conditions compared to cells 4,6 cm².

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.

Orientador: Luis Alberto Martínez Riascos. / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-graduação em Energia.

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.

O aprimoramento de técnicas e dispositivos aplicados à conversão de energia provenientes de fontes alternativas de energia, no contexto da geração distribuída, possui um papel importante para o estabelecimento definitivo de um novo paradigma de despacho e consumo de energia elétrica. Neste contexto, esta tese de doutorado aborda uma proposta de gerenciamento de energia e controle de uma microrede com célula a combustível e painel fotovoltaico como fontes primárias, operando juntamente com elementos armazenadores. Nesta proposta, destaca-se o uso de duas principais técnicas: droop k-sharing e Maximum Power Point Tracking with Saturation Technique (MPPT-ST). A técnica droop k-sharing permite associar uma dinâmica preestabelecida à célula a combustível, de forma que as baterias absorvam o espectro complementar. Adicionalmente, o uso da variável k-sharing com a adição da técnica droop permite o compartilhamento de potência entre as duas fontes sem a necessidade de comunicação entre elas. Já a técnica MPPT-ST, permite a operação de painéis fotovoltaicos no Maximum Power Point (MPP) e fora do MPP utilizando um saturador dinâmico. Por fim, propõe-se uma técnica para o acoplamento dos modelos dinâmicos dos conversores CC-CC por meio do equacionamento da tensão do barramento Corrente Contínua (CC) em espaços de estados, tornando possível analisar a estabilidade da microrede com o método indireto de Lyapunov. Para validar as técnicas propostas, são apresentados resultados de simulação e experimentais. / The improvement of techniques and devices applied to the energy conversion of alternative energy sources, in the distributed generation context, has an important role for the definitive establishment of the new paradigm of energy delivery and consumption. In this context, this PhD thesis addresses a proposal of an energy management strategy for microgrids with fuel cells and photovoltaic panels as primary sources, operating with storage devices. In the proposed control scheme, it is possible to highlight two control techniques: droop k-sharing and MPPT-ST. With the droop k-sharing technique, it is possible to design a specific dynamic behavior for the Fuel Cell, while the battery absorbs the complementary (high frequency) spectrum. Additionally, the use of the k-sharing variable with droop technique makes it possible to share the energy between the two sources without the need of a high-speed communication link. On the other hand, with the MPPT-ST technique, the photovoltaic modules can be operated in the MPP or off-MPP by using a simple dynamic anti-windup strategy. For the stability analysis using the Lyapunov Indirect Method, it is proposed a state space technique to couple the DC-DC converters models using the DC-link capacitor. Finally, to evaluate the proposed theoretical algorithm and analysis, simulations and experimental results are presented.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-03-15T16:40:52Z No. of bitstreams: 1 ALDREANY PEREIRA DO NASCIMENTO - DISSERTAÇÃO PPGEQ 2016..pdf: 4384493 bytes, checksum: 8cf20c9f79749f12b562389c82ec5d3f (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-15T16:40:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ALDREANY PEREIRA DO NASCIMENTO - DISSERTAÇÃO PPGEQ 2016..pdf: 4384493 bytes, checksum: 8cf20c9f79749f12b562389c82ec5d3f (MD5) Previous issue date: 2016-10-30 / Capes / A crise do petróleo juntamente com a grande necessidade de novas fontes de energias sustentáveis leva ao desenvolvimento de tecnologias mais limpas e eficientes. Neste contexto, as células a combustível aparecem como uma das soluções promissoras para a geração de energia elétrica, tendo como produto da reação, basicamente água e calor. Este trabalho de dissertação consiste na caracterização de uma célula a combustível PEM (Polymer Electrolyte Membrane) alimentada com hidrogênio e ar para a conversão de energia elétrica da energia química contida no gás hidrogênio. A célula a combustível utilizada é de potência nominal de 1 kW, constituída por 72 células ligadas em série com um sistema de controle próprio. A caracterização é feita através da utilização de uma carga resistiva configurável com base num microcontrolador. A partir dos parâmetros registrados (corrente e tensão), a curva de polarização, a densidade de corrente e a eficiência foram calculadas com base nos sistemas de curto circuito ligado e desligado (SCU: ON e SCU: OFF, respectivamente). Os resultados mostram uma potência máxima de saída de aproximadamente 623 W (37,09 V, 16,78 A), e uma densidade de corrente de 209,75 mA/cm2, com uma eficiência operacional em torno de 42 %, com o sistema de SCU: OFF. Para o sistema SCU: ON a potência máxima de saída é em torno de 664 W (39,10 V, 17,81 A) com densidade de corrente de 222,62 mA/cm2 e uma eficiência operacional de 44 %. O sistema de carga variável mostrou-se satisfatório para testar a célula, com um desvio entre a potência nominal e a real inferior a 20 %. Os relativamente baixos valores de eficiência do sistema (<20 %) são explicados pelo tempo de vida da célula. / The use of new sustainable energy sources is dependent on the development of clearer and more efficient technologies. Therefore, the fuel cells appear like a promising solution for the electrical energy generation, since that the reaction products are water and heat. This work plans to characterize a polymer electrolyte membrane fuel cell, feeding with hydrogen and air. The tested 1 kW nominal power fuel cell is constituted by 72 cells connected in serial. The characterization is made using a variable resistive charge system. It comprises 64 resistors (20 W) together with blowers for cooling. From the electrical parameters (voltage and current), the polarization curve, the current density and the efficiency of the fuel cell were calculated, with the short-circuit system on and off (SCU: ON and SCU: OFF). A maximum output power of 623 W (37.09 V and 16.78 A), with a current density of approx. 209.75 mA/cm2 and an efficiency around 42 % are obtained when the SCU is OFF. With the SCU: ON, the values are 664 W (39.10 V and 17.81 A), 222.62 mA/cm2 and 44 %, respectively. The results show that the resistive charge system is appropriate to test this kind of fuel cell. The low global efficiency values (< 20 %) can be explained by the fuel cell age.