A reação de redução de oxigênio (RRO) foi estudada em eletrocatalisadores formados por nanopartículas de óxidos puros e mistos de metais de transição de Mn, Co e Ni, além de estrutura tipo espinel, e por nanopartículas de Ag, Au e Ag3M (M= Au, Pt, Pd e Cu) suportadas em carbono Vulcan, em eletrólito alcalino. Os óxidos de metais de transição foram sintetizados por decomposição térmica de seus respectivos nitratos e as nanopartículas a base de prata e ouro foram sintetizadas por redução química com borohidreto. Os eletrocatalisadores foram caracterizados por Difratometria e Espectroscopia de Absorção de Raios X (somente para os óxidos de transição). Os materiais a base de óxidos de manganês, mostraram-se com alta atividade para a RRO, para os quais os resultados espectroscópicos in situ evidenciaram a ocorrência da redução do Mn(IV) para Mn(III), na região de início da RRO. Assim, as atividades eletrocatalíticas foram associadas à ocorrência da transferência de elétrons do Mn(III) para o O2. Entretanto, apresentaram forte desativação após ciclagem potenciodinâmica, o que foi associado à formação da fase Mn3O4, conforme indicado por difratometria de Raios X, após os experimentos eletroquímicos, que é eletroquimicamente inativa. Já o material formado pela estrutura do tipo espinel de MnCo2O4 apresentou alta atividade e estabilidade frente à ciclagem e à RRO. A alta atividade eletrocatalítica foi relacionada a ocorrência do par redox CoII/CoIII em maiores valores de potencial em relação ao CoOx e MnOx, devido a interações entre os átomos de Co e Mn no reticulo espinélico. Contrariamente ao observado nos óxidos com maior quantidade de manganês, o espinel mostrou-se altamente estável, o que foi associada à não alteração de sua estrutura no intervalo de potenciais que a RRO ocorre. Para os materiais bimetálicos a base de prata e ouro, os experimentos eletroquímicos indicaram maior atividade eletrocatalítica para o material de Ag3Au/C. Neste caso, a alta atividade foi associada a dois efeitos principais: (i) a um efeito sinergético, no qual os átomos de ouro atuam na região de ativação, favorecendo a adição de hidrogênio e os átomos vizinhos de prata proporcionam a quebra da ligação O-O, conduzindo a RRO pelo caminho de quatro elétrons por molécula de O2; (ii) ao aumento força da ligação Ag-O, devido à interação da Ag com o Au, resultando em maior atividade para a quebra da ligação O-O, aumentando a atividade da Ag para a RRO, em relação à atividade da Ag pura. Assim, a RRO apresentou menor sobrepotencial e maior número de elétrons em Ag3Au/C, quando comparado com as demais nanopartículas bimetálicas. / The oxygen reduction reaction (ORR) was studied on electrocatalysts composed by pure and mixed transition metal oxides of Mn, Co, and Ni, including spinel-like structures, and by Ag, Au, and Ag3M/C (M= Au, Pt, Pd e Cu) bimetallic nanoparticles, in alkaline electrolyte. The transition metal oxides were synthesized by thermal decomposition of their nitrates, and the silver and gold-based nanoparticles by chemical reduction using borohydride. The electrocatalysts were characterized by X-Ray Diffraction and X-Ray Absorption Spectroscopy (in the case of the metal oxides). The manganese-based oxide materials showed high activity for the ORR, in which the in situ spectroscopic results evidenced the Mn(IV) to Mn(III) reduction, in the range of the ORR onset. In this case, the electrocatalytic activities were correlated to the transfer of electron from Mn(III) to O2. However, they presented strong deactivation after several potentiodynamic cycles, which was ascribed to the formation of the electrochemically inactive phase of Mn3O4, as indicated by the XRD results, after the electrochemical experiments. On the other hand, the MnCo2O4 spinel-like material showed high activity and stability for the ORR. Its high electocatalytic activity was attributed to the CoII/CoIII redox pair, taking place at higher potentials, in relation to that of the CoOx e MnOx pure phases, due to the Co and Mn interactions in the spinel lattice. Contrarily to the behavior observed for the manganese-based materials, the spinel oxide presented high stability, which was ascribed to the non alteration of its crystallographic structure in the range of potentials tha the ORR takes place. For the Au and Ag-based materials, the electrochemical experiments indicated higher electrocatalytic activities for Ag3Au/C. In this case, its higher activity as associated to two main aspects: (i) to a synergetic effect, in which the gold atoms act in the activation region, facilitating the hydrogen addition, and the neighboring Ag atoms promoting the O-O bond breaking, leading the ORR to the 4-electrons pathway; (ii) to the increased Ag-O bond strength, due to the electronic interaction between Ag and the Au atoms, resulting in a faster O-O bond breaking, enhancing the electrocatalytic activity of the Ag atoms in the Ag3Au/C nanoparticle, in relation to that on the pure Ag. Therefore, the ORR presented lower overpotential and higher number of electrons in the Ag3Au/C electrocatalyst, when compared to the other investigated bimetallic nanoparticles.

Este trabalho apresenta resultados de estudos e caracterizações de Conjuntos Eletrodo/Membrana (MEAs) de Células a Combustível a Membrana Polimérica (PEMFC). Algumas condições de operação de células e diferentes processos de produção de MEA foram investigados. A técnica de Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIE) (em situ - 0 a 16 A) foi usada \"on-line\" como uma ferramenta de diagnóstico, relativa ao desempenho de célula. As medidas de EIE foram feitas através do Sistema de EIE para células a combustível FC350 (GAMRY), junto a um PC4 Potentiostato/Galvanostato e conectado à carga dinâmica (TDI) para experimentos de EIE \"on-line\" (100 mHz - 10 kHz, dU = 5 mV). MEAs com 25 cm2 de área ativa, usando eletrocatalisadores PtM/C 20 % (M = Ru, Sn ou Ni) fabricados usando o Método de Redução por Álcool (MRA). A tinta catalítica foi diretamente aplicada no Tecido de Carbono (GDL) e este prensado na membrana de Nafion® (105). MEAs usando eletrocatalisadores Pt/C e PtRu/C 20 % da E-TEK foram fabricados para comparação. Todos os cátodos foram confeccionados com Pt/C 20% da E-TEK. Foram fixadas as concentrações de metal nobre em 0,4 mg Pt.cm-2 no anodo e 0,6 mg Pt.cm-2 no catodo (E-TEK). Diagramas de Nyquist dos MEAs com Pt/C e PtRu/C da E-TEK ou PtM/C MRA apresentaram as mesmas resistências de ôhmicas para os MEAs. Este fato pode ser explicado por supressão de aglomerados durante o processo de preparação do MEA ou pela homogeneidade do eletrocatalisador ancorado ao carbono. Também pôde ser observado, a baixas densidades atuais que há uma diferença de desempenho significante entre o eletrocatalisadores da ETEK e os preparados pelo MRA. Os resultados das curvas de polarização confirmaram que PtM/C MRA apresentara um aumento de atividade para as células alimentadas com metanol e etanol. A técnica de EIE se mostrou eficiente para a avaliação do método de preparação dos MEAs e do desempenho da célula, os resultados de EIE mostraram uma coerência na escolha do modelo do circuito elétrico para os MEAs utilizando hidrogênio, metanol e etanol. Esta coerência indica que outras resistências não consideradas no modelo não são relevantes na resistência total dos MEAs. / This work reports results of studies and characterization on Membrane Electrode Assemblies (MEAs) for Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Some cell operation conditions and different processes of MEA production were investigated. The Electrochemical Impedance Spectroscopy Technique (EIS) (in situ - 0 to 16 A) was used \"on-line\" as a tool for diagnosis, concerning the cell performance. The EIS measurements were carried out with a FC350 Fuel Cell EIS System (GAMRY), coupled to a PC4 Potentiostat/Galvanostat and connected to the electronic load (TDI) for \"on-line\" EIS experiments (100 mHz - 10 kHz, dU = 5 mV). MEAs with 25 cm2 surface area, using PtM/C 20% (M = Ru, Sn or Ni) electrocatalysts were manufactured using the Alcohol Reduction Process (ARP). The catalytic ink was applied directly into the Carbon Cloth (GDL) and pressed in the NafionR membrane (105). MEAs using Pt/C and PtRu/C 20% from E-TEK electrocatalysts were manufactured by comparison. All the cathodes were sprayed with Pt/C 20% from E-TEK. The noble metal concentrations used were set to 0.4 mg Pt.cm-2 at the anode and 0.6 mg Pt.cm-2 at the cathode (E-TEK). Nyquist diagrams of the MEAs with Pt/C and PtRu/C from E-TEK or PtM/C (M = Ru, Sn or Ni) ARP showed essentially the same ohmic resistances for the MEAs. This fact can be explained by suppression of agglomerates during the MEA preparation process or by the homogeneity of the anchored electrocatalysts at the carbon surface. It could also be observed, at low current densities, that there was a significant performance difference between the electrocatalysts from E-TEK and those prepared with the Alcohol Reduction Process. The polarization curves results confirmed that the PtM/C (M = Ru, Sn or Ni) ARP showed an activity increase for the methanol and ethanol fed cells. The technique of EIE was shown efficient for the evaluation of the method preparation of MEAs and the acting of the cell, the results of EIE showed coherence in the choice of the model the electric circuit for MEAs using hydrogen, methanol and ethanol. This coherence indicates that other resistances no considered in the model are not relevant in the total resistance of MEAs.

Pós nanocristalinos de zircônia estabilizada com ítria ou escândia (YSZ ou ScSZ) entre 8 e 12 mol% foram sintetizados por meio dos métodos da poliacrilamida, dos precursores poliméricos e da precipitação simultânea de cátions. Os pós de partida foram analisados por difração de raios X (DRX), distribuição de tamanho de partículas por espalhamento laser, adsorção gasosa (BET), microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de transmissão (MET), análise térmica simultânea, fluorescência de raios X (FRX), e espectroscopia de absorção óptica no infravermelho por refletância difusa (DRIFT). Os métodos de síntese por via úmida orgânica produziram pós nanocristalinos a partir de 550 °C, enquanto que o método da precipitação simultânea de cátions produziu pós amorfos que cristalizaram em torno de 450 °C com entalpias de cristalização -13,7 ± 0,6 kJ.mol-1 para 8YSZ e -11,7 ± 0,5 kJ.mol-1 para 12YSZ. Os valores de área de superfície específica obtidos para os pós sintetizados por meio dos métodos da poliacrilamida, dos precursores poliméricos e da precipitação (calcinados em ~ 650 °C) foram 27, 61 e 110 m2.g-1, respectivamente. Os pós obtidos pelo método da poliacrilamida apresentaram menor estado de aglomeração e maior quantidade de carbonato superficial relativamente ao pó obtido pelo método dos precursores poliméricos. A sinterização dos compactos de pós cerâmicos foi avaliada por meio da técnica de espectroscopia de impedância (EI) e dilatometria. Após sinterização, as cerâmicas foram analisadas por DRX, MEV e EI. Os resultados evidenciaram que os pós apresentaram elevada sinterabilidade, mas baixa densidade final por causa do estado de aglomeração dos pós. A adsorção de água à temperatura ambiente foi medida em um microcalorímetro Setaram Calvet e um sistema de dosagem Micromeritics. Foram feitos experimentos de calorimetria de solução por inserção de amostra em um calorímetro duplo tipo Calvet usando 3Na2O.4MoO3 como solvente. Estes experimentos, combinados com os de calorimetria de adsorção de água, permitiram determinar por meio de um ciclo termodinâmico, as entalpias de superfície para superfícies hidratadas e anidras. / Nanocrystalline yttria or scandia stabilized zirconia (YSZ, ScSZ) powders with fluorite-type structure were synthesized by the polyacrylamide, the polymeric precursor and the precipitation methods. Powders were characterized by X-ray diffraction (XRD), simultaneous (TG and DTA or DSC) thermal analysis, nitrogen adsorption analysis, scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and diffuse reflectance infrared Fourier transform absorption spectroscopy (DRIFT). The organic precursor methods produced nanocrystalline powders at approximately 550 °C and the precipitation method produced amorphous powders which crystallized at approximately 450 °C into a fluorite phase with crystallization enthalpies of -13.7 ± 0.6 kJ.mol-1 for 8YSZ and -11.7 ± 0.5 kJ.mol-1 for 12YSZ. The measured surface area of powders after calcination at 650 - 800 °C were 27 m2.g-1, 61 m2.g-1 and 110 m2.g-1 for the polyacrylamide, the polymeric precursor and the precipitation methods, respectively. The sintering process of the pressed ceramic powders was evaluated by direct impedance spectroscopy (IS) measurements and by dilatometry. Thereafter, the sintered pellets were analyzed by XRD, SEM and IS. The sintering studies show that the powders prepared by the chemical route have high sinterability; however, they do not sinter to high density as a result of dense aggregates in the initial powders. The heats of water adsorption at room temperature were measured on samples using a Setaram Calvet microcalorimeter and a Micromeritics gas dosing system. Drop solution calorimetry experiments were performed in a custom made Calvet twin calorimeter using sodium molybdate 3Na2O.4MoO3 solvent. These experiments, combined with water adsorption calorimetry, allowed for deriving, through a thermodynamic cycle, the surface enthalpies for hydrous and anhydrous surfaces.

O desenvolvimento de sistemas de conversão de energia baseados na tecnologia de células a combustível tem demandado estudos de confiabilidade, uma vez que requisitos de durabilidade e custo passaram a ser fundamentais para a inserção desta tecnologia no mercado de energia. Neste trabalho foi proposta uma metodologia de análise de confiabilidade de células a combustível de membrana polimérica condutora de prótons (células a combustível do tipo PEM), tendo em vista a qualificação destes itens como protótipos de unidades comerciais. A metodologia proposta incluiu uma avaliação inicial qualitativa das possíveis falhas em células a combustível do tipo PEM, realizada pela aplicação de uma Análise de Modos de Falha e Efeitos, técnica conhecida pela sigla FMEA. Além disso, foi elaborado um plano de testes de vida para as unidades produzidas no IPEN CNEN/SP e foi efetuada a análise dos resultados usando-se métodos estatísticos para dados de confiabilidade. Assim, a parte experimental consistiu em produzir as células a combustível no laboratório e submetê-las aos testes de vida, nos quais foram simuladas condições reais de operação. Os dados amostrais foram analisados estatisticamente, gerando resultados importantes em relação às medidas de desempenho e durabilidade dos dispositivos em estudo. Por meio de uma análise não paramétrica, foi gerada uma estimativa da função de confiabilidade das células a combustível usando-se o estimador de Kaplan- Meier. Pela modelagem paramétrica, foi possível ajustar uma distribuição exponencial para o tempo de vida destes dispositivos, gerando uma estimativa de vida média de 1.094,58 horas, com intervalo de 95% de confiança de [533,03 horas; 2.836,13 horas]. Com relação ao desempenho, foi aplicada uma regressão linear simples aos dados de potencial elétrico ao longo do tempo, gerando um valor aproximado para a taxa de queda do potencial elétrico de 80 μV h-1. Cabe ressaltar que, a metodologia proposta neste estudo deverá ser integrada ao processo de desenvolvimento das células a combustível, para permitir o acompanhamento da melhoria de sua confiabilidade. / The development of power conversion systems based on fuel cells has been demanding reliability studies since the requirements associated to cost and durability of these products have become fundamental to their acceptance in the energy market. The reliability analysis proposed in this work aimed to qualify the proton exchange membrane (PEM) fuel cells produced at IPEN CNEN/SP as prototypes of commercial units. The methodology included an initial assessment of failures of the PEM fuel cells, which was carried out by the application of a Failure Mode and Effect Analysis (FMEA). Furthermore, the methodology involved the planning of life tests and the quantitative assessment based on statistical methods for reliability data. Thus, the experimental part of this work consisted of producing the fuel cells in the laboratory, and testing them under stable and dynamic operating conditions. The main results of the quantitative analysis were the estimates of the reliability function and mean time to failure of the PEM fuel cells. These estimates were obtained by means of two different approaches, a non parametric and a parametric one. In the non parametric analysis, the Kaplan-Meier estimator was used for the reliability function. Based on the parametric analysis, an exponential distribution was fit to data and the mean time to failure of the PEM fuel cells was estimated in 1.094,58 hours, with a 95% confidence interval of [533,03 hours; 2.836,13 hours]. Concerning the PEM fuel cells performance, a linear regression analysis of the observed data (voltage vs. time) was carried out and an approximate estimate for the voltage decay rate was calculated in 80 μV h-1. Finally, the methodology proposed in this work may be integrated into the development project of the PEM fuel cells so as to allow researchers to carry out a reliability growth analysis and monitor the improvements in these products.

Made available in DSpace on 2016-08-19T12:56:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao Fernanda.pdf: 1549685 bytes, checksum: d2b56a7ad60c89efdf1404d7658ae95a (MD5) Previous issue date: 2012-07-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work, nanocatalysts of Pt/C, PtRe/C PtIr C and PtW/C supported on carbon were prepared by the alcohol reduction process and characterized by transmission electron microscopy (TEM), X-ray Diffraction (XRD), Energy Dispersive X-ray (EDX) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The electrochemical behavior of nano catalysts in the presence of ethanol and glycerol were evaluated by cyclic voltammetry (CV) and chronoamperometry. The results indicated that the nanoparticles PtRe/C showed better catalytic performance in the range of interest potential for direct alcohol fuel cells, up to 0.6 V. It can be suggested that this behavior is due to the presence of Re that intensified the catalyst performance aiding the formation of more reactive sites to improve the oxidation process. / Neste trabalho, nanocatalisadores de Pt/C, PtRe/C, PtIr/C e PtW/C suportados em carbono foram preparados pelo método de redução por álcool e caracterizados usando as técnicas de Microscopia eletrônica de transmissão (MET), Difração de raios-X (DRX), Energia Dispersiva de raios-X (EDX) e Espectroscopia fotoeletrônica de raios X (XPS). O comportamento eletroquímico dos nanocatalisadores frente às reações de oxidação de etanol e glicerol foi avaliado por voltametria cíclica (VC) e cronoamperometria. Os resultados mostraram que as nanopartículas de PtRe/C apresentaram melhor desempenho catalítico na faixa de potenciais de interesse para células à combustível. Pode-se sugerir que este comportamento se deve a presença do Re que intensificou o desempenho do catalisador auxiliando a formação de sítios mais reativos para melhorar o processo de oxidação.

A performance de células a combustível de membrana de troca polimérica (PEMFC) alimentadas com hidrogênio contaminado com CO foi investigada para ânodos com eletrocatalisadores de PdPt/C e PdPtRu/C em diferentes proporções. Os materiais produzidos foram caracterizados por energia dispersiva de raios-X (EDX) e difração de raios-X (DRX). As propriedades eletrônicas da Pt foram analisadas por espectroscopia de absorção de raios-X (XAS) na região de XANES (X-ray absorption near edge structure). As avaliações do desempenho eletroquímico foram feitas através do levantamento sistemático de curvas de polarização de estado estacionário, voltametria cíclica e stripping de CO em células a combustível unitárias. Também foram feitas medidas de espectrometria eletroquímica diferencial de massas para avaliar o monitoramento de CO2 (massa/carga 44). Foi observada uma pequena diminuição da magnitude da linha branca nos espectros para as ligas PdPt/C e PdPtRu/C quando comparados com Pt/C, sendo que este fenômeno foi atribuído a um aumento de ocupação da banda Pt 5d. Melhores resultados com relação a tolerância ao CO da reação de oxidação de hidrogênio foram obtidos para os catalisadores PdPt/C e PdPtRu/C quando comparados com Pt e Pd puros. Nenhum efeito sinérgico favorável foi observado com a adição de Ru. O monitoramento de CO2 nos experimentos de espectrometria de massas (DEMS), enquanto as células eram alimentadas com H2 + 100 ppm CO, mostrou aumento na quantidade de formação deste produto somente para ânodos contendo PdPtRu/C e nenhuma formação de CO2 do início ao final das variações de potenciais nos casos dos eletrodos contendo PdPt/C. / The performance of proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) fed with CO-contaminated hydrogen was investigated for anodes with PdPt/C and PdPtRu/C electrocatalysts at different ratios. The produced materials were characterized by energy dispersive (EDX) and X-ray diffraction (XRD). The electronics properties of Pt were analyzed by X-ray absorption spectroscopy (XAS) X-ray absorption near edge structure (XANES) in the region. Evaluations of the electrochemical performance were carried out by steady state single cell polarization measurements, cyclic voltammetry and the CO-stripping techniques. Measurements of differential electrochemical mass spectrometry (DEMS) were carried out to evaluate the CO2 (mass 44) formation. A small reduction of the white line magnitude was in the XANES spectro for the PdPt/C and PdPtRu/C alloys when compared with Pt/C. This phenomenon was assigned for the increase of occupation of the Pt 5d band. Higher CO-tolerances were obtained for the PdPt/C and PdPtRu/C catalysts when compared with those for pure Pd/C and Pt/C. No favorable synergistic effect occurred with Ru addition in the electrode performance for the PEMFC fed with H2+100 ppm CO. The CO2 (mass 44) monitoring with DEMS experiments with the cells fed with H2+100 ppm CO showed the formation of this product only to PdPtRu/C, while no CO2 formation could be detected from beginning to end potential in the cases of Pd/C and PdPt/C.

Catalisadores catódicos para aplicação em células a combustível alcalinas (AFCs) baseados em dióxido de manganês, como alternativa aos tradicionais catalisadores baseados em platina foram estudados no presente trabalho. O principal objetivo foi avaliar a viabilidade do uso de α-MnO2 através do estudo da atividade eletrocatalítica frente à reação de redução de oxigênio (RRO) do referido óxido em comparação com a atividade eletrocatalítica do material de referência baseado em platina, visando minimizar os elevados custos desses catalisadores que tornam muito restrita a comercialização das células a combustível apesar das vantagens comprovadas desse tipo de tecnologia. O uso de α-MnO2 para completa substituição da platina se mostrou viável por apresentar atividade catalítica comparável à da platina, e com a vantagem adicional de ser um material de menor custo devido à sua abundância. Estudos prévios demonstraram que a RRO catalisada pelo dióxido de manganês ocorre preferencialmente por duas vias: redução direta via quatro elétrons, ou redução por dois elétrons com formação de peróxido de hidrogênio como produto final. A redução direta via quatro elétrons é o mecanismo mais comum, seguido na maioria das estruturas cristalográficas, e é o mecanismo de reação de interesse para aplicação em células a combustível, sendo, portanto, o peróxido de hidrogênio um produto indesejável para esse tipo de aplicação. Foram promovidas modificações do referido óxido de manganês (α-MnO2) pela incorporação de metais não nobres (Cu e Bi) para estudar o impacto dessas modificações nas propriedades físico-químicas desses óxidos. Os resultados obtidos demonstraram que a dopagem com Cu não promoveu alterações significativas nas propriedades desses óxidos. Em contrapartida, a dopagem com bismuto promoveu resultados significativos. A incorporação de Bi3+ na estrutura cristalina do α-MnO2 promoveu o aumento da condutividade eletrônica desse óxido, permitindo assim a eliminação do suporte de carbono, ocasionando desse modo, a eliminação quase que total da formação de peróxido de hidrogênio. Dessa maneira, os resultados mostraram que no caso específico desse material dopado, a RRO se dá predominantemente pela redução direta via quatro elétrons. Os resultados apresentados no presente trabalho, demonstraram que a dopagem do α-MnO2 com Bi3+ resulta em um material bastante promissor como catalisador catódico de AFCs. / Cathode catalysts for application in alkaline fuel cells (AFCs) based on manganese dioxide as alternative to traditional platinum-based catalysts were studied in this work. The main objective was to evaluate the feasibility of using α-MnO2 through the study of electrocatalytic activity toward the oxygen reduction reaction (ORR) of said oxide compared to the electrocatalytic activity of platinum-based reference materials, aiming to cheapen the high costs of these catalysts that make very limited the marketing of fuel cells despite the proven benefits of such technology. The use of α-MnO2 as a complete substitution of platinum demonstrated to be viable due to its catalytic activity comparable with that of platinum, having the additional advantage of being a less costly material because of its abundance. Previous studies demonstrated that the ORR catalyzed by manganese dioxide takes place preferably in two ways: Direct reduction via four electrons or two electrons by reduction with formation of hydrogen peroxide as the final product. The direct reduction via four electrons is the most common mechanism, followed in most crystal structures, and the reaction mechanism is the one of interest for application in fuel cells. The production of hydrogen peroxide is undesirable for this type of application. Modifications of said manganese oxide (α-MnO2) by the incorporation of non-noble metals (Cu and Bi) were promoted to study the impact of these modifications on the physicochemical properties of these oxides. The results showed that doping with Cu did not cause significant changes in the properties of these oxides. By contrast, doping with bismuth promoted interesting and significant results. The incorporation of Bi3+ in a crystalline structure of α-MnO2 promoted the increase of the electronic conductivity of this oxide, thereby allowing the elimination of the carbon support, consequently causing the almost complete elimination of the formation of hydrogen peroxide. Thus, the results showed that in the specific case of this doped material, the ORR occurs predominantly by direct reduction via 4 electrons. The results presented in this study demonstrated that the α-MnO2 doped with Bi3+ showed a very promising cathode material for application in AFCs.

Compostos com alto conteúdo de hidrogênio, tais como hidrazina (N2H4) e íons borohidreto (BH4-), apresentam grande potencialidade como combustíveis em células a combustível ou em reformadores eletroquímicos para a geração de hidrogênio, uma vez que apresentam alta densidade de energia. Além disso, as reações de eletro-oxidação dessas espécies podem ser catalisadas por metais não nobres como Ni e Co, em eletrólito alcalino. Dessa forma, este projeto de pesquisa teve como objetivo a síntese e a investigação da atividade eletrocatalítica de eletrocatalisadores formados por nanopartículas de níquel e cobalto e por níquel em combinação com outro metal também ativo, como a platina, representados genericamente por NiO/C, Co3O4/C NiO-Pt/C, para a eletro-oxidação de hidrazina e de íons borohidreto. Os resultados eletroquímicos mostraram maiores atividades eletrocatalíticas, tanto para a eletro-oxidação de hidrazina quanto para íons borohidreto, para Co3O4/C em relação ao NiO/C, mas evidenciaram maior estabilidade para NiO/C. Tanto para NiO/C como para NiO-Pt/C, os experimentos mostraram que, em potenciais logo acima do de circuito aberto, a atividade eletrocatalítica origina-se da coexistência de espécies de Ni0 ou Pt0 e Ni-OH superficiais, onde a reação de eletro-oxidação de hidrazina é catalisada com efeito sinérgico bifuncional relacionado ao acoplamento de Ni-H ou Pt-H, gerado pela adsorção dissociativa de hidrazina (ou borohidreto), e Ni-OH, gerado pela descarga de OH- em baixos potenciais. Em altos sobrepotenciais, as correntes faradaicas aumentam significativamente e, para as duas reações, é proposto uma mecanismo de mediação de elétrons, no qual a hidrazina ou os íons borohidreto reduzem quimicamente o óxido de níquel ou de cobalto, com a geração de produtos destes combustíveis, e isto é seguido pela eletro-oxidação do metal, induzido pelo alto potencial do eletrodo, fechando o ciclo de mediação. Resultados de experimentos de DEMS online (Differential Electrochemical Mass Spectrometry), tanto para NiO/C ou Co3O4/C, quanto para NiO-Pt/C (somente para hidrazina neste caso), mostraram que as correntes faradaicas são seguidas pela geração do produto principal (N2 para o caso de hidrazina; BO2- para o borohidreto, sendo que este último não pode ser detectado por DEMS) em baixos sobrepotenciais e, em altos sobrepotenciais, o sinal do produto principal é acompanhado pelos sinais de H2 e de NH3, com comportamento similar. Este resultado evidencia que a reação de eletro-oxidação completa de hidrazina ou de íons borohidreto ocorre em maior extensão somente em baixos sobrepotenciais, sendo que, em altos sobrepotenciais, onde se tem a formação de óxidos de níquel ou de cobalto, as reações operam em maior extensão por vias incompletas de eletro-oxidação, para as quais tem-se a mediação de elétrons como mecanismo reacional. / High hydrogen content compounds, such as hydrazine (N2H4) and borohydride ion (BH4-) exhibit high prospect as fuel for fuel cells or electrochemical reformers for hydrogen generation, since they present high energy density. Moreover, their electro-oxidation reactions can be catalyzed on non-noble electrocatalysts, such as Ni and Co, in alkaline electrolyte. In this way, this project aimed the synthesis and the investigation of the electro-catalytic activity of nickel, cobalt and nickel/platinum nanoparticles based electrocatalysts, named as NiO/C, Co3O4/C and NiO-Pt/C, for hydrazine and borohydride electro-oxidation reactions. Electrochemical results showed high electrocatalytic activity of Co3O4/C for both reactions, (hydrazine and borohydride electro-oxidation), however NiO/C showed more stability. For both NiO/C and or NiO-Pt/C, the experiments showed that under potentials slightly above the open-circuit potential, the electrocatalytic activity comes from the co-existence of Ni0, Pt0 and Ni-OH on the surface. The hydrazine electro-oxidation reaction is catalyzed by a bi-functional synergistic effect related to the Ni-H or Pt-H coupling generated from dissociative adsorption of hydrazine (or borohydride), and Ni-OH, produced by OH- discharge in low potentials. In high overpotentials, the faradaic currents increase significantly for both reactions. An electron-mediated mechanism is proposed for this condition, where the hydrazine or borohydride ions reduces chemically the nickel or cobalt oxide, producing the reaction products from these fuels and, this is followed by the metal electro-oxidation, induced by the high potential of the electrode, completing the mediation cycle. For all electrocatalysts (only hydrazine for NiO-Pt/C), online DEMS (Differential Electrochemical Mass Spectrometry) results showed that the faradaic currents keep up with by the generation of the main product, in low potentials (N2 for hydrazine and BO2- for borohydride, but this last one cannot be detected by DEMS). In high overpotentials, the main product signal is followed by the signals, with similar behavior, of H2 and NH3. This result evidences that the complete hydrazine and borohydride electro-oxidation reactions preferentially occur in low overpotentials, whereas, in high overpotentials, when the nickel or cobalt oxides are present, the reactions occurs preferentially by incomplete pathways, in an electron-mediated mechanism.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This dissertation presents a project of a integrated system with distinct energy generating modules using a wind generator, photovoltaic generator, fuel cells stack (FCs) and an accumulator of energy formed by a bank of batteries. This system was implemented in the Center of Studies in Energy and Environment-CEEMA-UFSM. The alternative sources of energy were connected in such a way as to inject current to a common DC bus avoiding so current circulation among sources due to individual voltage differences. The bus voltage is controlled by modulation of a secondary load in parallel with the main load. Along all tests, it was used the algorithm "Hill Climbing Control" (HCC) to maximize the generated power in the wind generator and in the photovoltaic generator. The FC operating principles are shown in more details with respect to their static and dynamic characteristics. In this MSc dissertation a FC simulator was used connected to real electric loads. A DC-DC Boost-type converter connects each primary source to the DC bus, and a Buck-Boost DC-DC converter with an integrated to control the charge and discharge states of the storage system (bank of batteries). Finally, numerical results were presented for all electric simulations so completing the hybrid system. After discussion of these results, a practical implementation was made to verify the numerical simulations with variable loads fed by the maximized generated powers from the sources. / Esta dissertação refere-se ao desenvolvimento de um sistema de integração entre uma pilha de células a combustível (CaCs), e outros módulos geradores de energia alternativa utilizando gerador eólico, gerador fotovoltaico e um acumulador de energia formado por um banco de baterias. Este sistema foi implementado no Centro de Estudos em Energia e Meio Ambiente-CEEMA, no Centro de Tecnologia da UFSM. As fontes alternativas de energia foram conectadas de forma a injetarem corrente CC em um barramento comum de forma a evitar a circulação de corrente entre as fontes devido à diferença de tensão das mesmas. A tensão no barramento é controlada pelo chaveamento de uma carga secundária em paralelo com a carga principal. É utilizado o algoritmo "Hill Climbing Control" (HCC) para maximizar a potência gerada pela associação do gerador eólico com o gerador fotovoltaico. Evidencia-se neste estudo o princípio de funcionamento das CaCs, suas características elétricas estáticas e dinâmicas quando associada a outras fontes de energia. No desenvolvimento dos trabalhos usou-se um simulador de CaC com cargas elétricas reais. Um conversor CC-CC do tipo Boost conecta cada fonte primária ao barramento CC e para o banco de baterias utiliza-se um conversor CCCC do tipo Buck-Boost para controle do estado de carga e descarga. Os resultados obtidos nas simulações do sistema híbrido e em seguida os resultados dos ensaios de laboratório foram obtidos com a implementação prática de um protótipo que permite variações de cargas e variação da potência gerada nas fontes.

Orientadores: Carla Kazue Nakao Cavaliero, Paulo Fabrício Palhavam Ferreira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-22T09:20:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RiverosGodoy_GustavoArturo_D.pdf: 2492876 bytes, checksum: 99937cb490ddf587b5477bbd1ff7ade6 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A utilização de hidrogênio em veículos com células a combustível apresenta-se como uma solução que pode causar baixos impactos ambientais, além de poder trazer maior segurança energética, uma vez que pode ser produzido através de recursos energéticos disponíveis em cada país. Neste contexto, e considerando que o transporte de passageiros configura-se como um serviço público fundamental para a integração entre as regiões e os países, nessa tese focou-se no estudo técnico, econômico e ambiental da implementação de uma rodovia preparada para atender a demanda de hidrogênio no setor de transporte coletivo de passageiros. O trajeto escolhido foi à rota que une a cidade de Assunção/Paraguai com a cidade de São Paulo/Brasil. Especial ênfase foi dada ao custo de instalação e operação das estações de hidrogênio produzido através da eletrólise da água. Na análise colocaram-se duas possibilidades, sendo elas, i) a introdução de apenas um ônibus movido a hidrogênio, situação denominada de substituição mínima; e ii) a substituição de toda a frota que atende a rota em estudo, denominando-a como substituição máxima. O custo de implementação da primeira situação é de aproximadamente US$ 5,0 milhões e o custo operacional anual é de cerca de US$ 1,0 milhão. Com a segunda situação, o custo de implementação aumenta para US$ 17 milhões e a operação anual fica em torno de US$ 5,0 milhões. No caso do Paraguai, o custo do hidrogênio varia entre 8,50 US$/kg e 18,66 US$/kg. No caso do Brasil, estimaram-se entre 17,07 US$/kg e 28,30 US$/kg. A análise ambiental considerou as emissões evitadas de carbono com a substituição de óleo Diesel por hidrogênio eletrolítico em toda a frota de veículos. Para tanto, foi utilizada uma metodologia aprovada pela UNFCCC no âmbito dos projetos de MDL e que poderia ser aplicada para empreendimentos como o proposto na tese, obtendo-se como estimativa uma redução de emissões de 2.098 tCO2/ano / Abstract: The use of hydrogen in fuel cell vehicles is presented as a solution that may cause less environmental impact and as a mean of addressing energy security, considering it can be produced by energy resources available in each country. In this context, considering the passenger transport as a service in the public interest for integration between regions and countries, this thesis focused on technical, economic and environmental analysis by implementing a highway prepared to cover the hydrogen demand in the passenger transportation sector. They chose route is that one joins Asuncion/Paraguay and São Paulo/Brazil. Special emphasis on the installation and operation costs of hydrogen stations produced through the water electrolysis was given. Two possibilities were set, i) the introduction of only one hydrogenpowered bus, condition called minimal substitution, and ii) replacing the whole fleet that serves the route, called as maximal substitution. The implementation cost of the first one is roughly US$ 5.0 million and an annual operating cost of about US$ 1.0 million. In the second situation, the implementation cost amounts to US$ 17 million and annual operating around $ 5.0 million. In the case of Paraguay, hydrogen production cost varies between 8.50 US$/kg and 18.66 US$/kg. In the case of Brazil, the estimated costs vary between 17.07 US$/kg and 28.30 US$/kg. The environmental analysis performed verified the availability of an approved CDM methodology and its applicability for similar proposals, a reduction of emissions equal to 2098 tCO2/year, was estimated / Doutorado / Planejamento de Sistemas Energeticos / Doutor em Planejamento de Sistemas Energéticos