Orientador: Carla Kazue Nakao Cavaliero / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-14T16:43:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lopes_DaviGabriel_M.pdf: 1040117 bytes, checksum: 28784ea95cc130b67a68a89bde922551 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: O planejamento energético de comunidades isoladas tem tradicionalmente buscado atender apenas a demanda de energia elétrica residencial. No entanto, levando em consideração a baixa renda familiar, característica dessa população, acredita-se que a energia elétrica deveria ser direcionada para outro fim específico: a execução de atividades produtivas visando promover o desenvolvimento socioeconômico da comunidade. Alguns projetos de P&D têm buscado esse objetivo, como é o caso do projeto "Geração de Energia Elétrica a partir da Reforma de Etanol e Célula a Combustível no Sistema Isolado de Mato Grosso", desenvolvido pela UNICAMP, UFMT e ELETRONORTE, no qual foi realizada a instalação de um sistema de geração composto de reformador de etanol-célula a combustível na comunidade "Pico do Amor"/MT. Assim, este trabalho tem como objetivo analisar o impacto do custo dessa energia elétrica na renda familiar considerando o desenvolvimento de duas atividades produtivas selecionadas pela própria comunidade: a produção e comercialização de farinha de mandioca e rapadura. Para tanto, foi analisada a demanda de energia da comunidade; estimados o custo da energia elétrica proveniente do sistema a ser implantado e a receita com a venda da farinha de mandioca e rapadura a serem produzidas com essa eletricidade; e realizada a análise de sensibilidade do preço do etanol no custo da energia elétrica, e da farinha de mandioca e da rapadura na receita familiar. Dentre os resultados estimados verificou-se que o custo com a energia elétrica tem um impacto de 16,4% na receita bruta familiar e que a renda líquida mensal fica em torno de R$ 260,85/família, indicando que a comunidade não apenas terá condições de pagar pela energia elétrica fornecida como também irá aumentar a sua renda. Além disso, a análise comparativa do custo da eletricidade proveniente do sistema de reforma de etanol/célula a combustível e de sistemas fotovoltaicos indicou que, considerando apenas os custos de manutenção e operação, o primeiro se mostrou mais atrativo que o segundo. / Abstract: The energetical planning of isolated communities has been trying to attend only the residential electrical energy demand. However, taking into account the family financial low level, this population characteristic, it is believed that the electrical energy should be directed for other specific goals: the execution of productive activities to promote the social and economical development of these communities. Some of R&D projects have been trying to achieve this objective, like "Electrical Energy Generation From Ethanol and Fuel Cell Reformer in the Isolated System of Mato Grosso", developed by UNICAMP, UFMT and ELETRONORTE, in which was done the installation of a generation system composed of an ethanol - fuel cell reformer in "Pico do Amor" community in Mato Grosso state. This work has the objective to analyze the impact of the cost of this electrical energy in the family income considering the development of two productive activities selected by the community itself: the production and marketing of cassava flour and "rapadura", a typical brazilian candy. The community energy demand was analyzed to achieve the results; estimated the energy cost from the implemented system and the money from the selling of the cassava flour and "rapadura" produced with this electricity; the study of sensibility of the ethanol price in the electrical energy cost was done too, and the cassava flour and "rapadura" in the family funds. From the results, it was verified that the electrical energy cost has a 16,4% impact in the family gross income and a net value around R$ 260,85/family, indicating that the community will have enough funds to pay for the energy and also will rise the amount of money for each family. Besides, the comparative analyze of the cost of the electricity from the ethanol/fuel cell reformer and photovoltaic systems shows that, considering only the maintenance and operation costs, the first one should be more attractive than the second one. / Mestrado / Mestre em Planejamento de Sistemas Energéticos

Os eletrocatalisadores PtSnRh suportados em carbono-Sb2O5.SnO2, com 20% de massa de metal, foram preparados pelo método de redução por álcool, utilizando H2PtCl6.6H2O (Aldrich), RhCl3.xH2O (Aldrich) e SnCl2.2H2O (Aldrich), como fontes de metais; Sb2O5.SnO2 (ATO) e carbono Vulcan XC72, como suporte; e etileno glicol como agente redutor. Os eletrocatalisadores obtidos foram caracterizados fisicamente por difração de raios-X (DRX) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). Por meio dos difratogramas observou-se que os eletrocatalisadores PtSnRh/C-ATO possuem estrutura CFC para a Pt e ligas de Pt, além de vários picos associados ao SnO2 e ATO. Os tamanhos médios dos cristalitos ficaram entre 2 e 4 nm. Por meio das micrografias verificou-se uma boa distribuição das nanopartículas sobre o suporte. Os tamanhos médios das partículas ficaram entre 2 e 3 nm, com boa concordância para os tamanhos médios dos cristalitos. Os desempenhos dos eletrocatalisadores foram analisados por meio de técnicas eletroquímicas e em condições reais de operação utilizando uma célula a combustível unitária alimentada diretamente por etanol. Na cronoamperometria, a temperatura de 50ºC, os eletrocatalisadores com proporção de 85%C+15%ATO para o suporte, apresentaram a melhor atividade, e as proporções atômicas que obtiveram os melhores resultados foram PtSnRh(70:25:05) e (90:05:05). Nos experimentos em célula, o eletrocatalisador PtSnRh(70:25:05)/85C+15ATO apresentou o melhor desempenho. / PtSnRh electrocatalysts supported on carbon-Sb2O5.SnO2, with metal loading of 20 wt%, were prepared by an alcohol-reduction process, using H2PtCl6.6H2O (Aldrich), RhCl3.xH2O (Aldrich) and SnCl2.2H2O (Aldrich), as source of metals; Sb2O5.SnO2 (ATO) and carbon Vulcan XC72, as support; and ethylene glycol as reducing agent. The electrocatalysts obtained were characterized physically by X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). The diffractograms showed which PtSnRh/C-ATO electrocatalysts had FCC structure of Pt and Pt alloys, besides several peaks associated with SnO2 and ATO. The average sizes of crystallites were between 2 and 4 nm. TEM micrographs showed a good distribution of the nanoparticles on the support. The average sizes of particles were between 2 and 3 nm, with good agreement for the average size of the crystallites. The performances of the electrocatalysts were analyzed by electrochemical techniques and in real conditions of operation using single direct ethanol fuel cell. In the chronoamperometry at 50ºC, the electrocatalysts with carbon (85 wt%) and ATO (15 wt%) support, showed the best activity, and the atomic proportions which achieved the best results were PtSnRh(70:25:05) e (90:05:05). PtSnRh(70:25:05)/85C+15ATO electrocatalysts showed the best performance in a direct ethanol fuel cell.

Os filmes cerâmicos de manganito de lantânio dopado com estrôncio (LSM) e de manganito de lantânio dopado com estrôncio/zircônia estabilizada com ítria (LSM/YSZ) são utilizados como catodos das células a combustível de óxido sólido de temperatura alta (CaCOSTA). Estes filmes cerâmicos porosos foram depositados sobre o substrato cerâmico denso de YSZ, utilizado como eletrólito, componente estrutural do módulo, assim conferindo uma configuração de meia-célula denominada auto-suporte. O estudo da meia-célula é fundamental, pois na interface catodo/eletrólito ocorre a reação de redução do oxigênio, conseqüentemente influenciando no desempenho da CaCOSTA. Neste sentido, o presente trabalho contribui para a síntese de pós de LSM e LSM/YSZ e para o processamento de filmes finos, utilizando a técnica de pulverização de pó úmido, adotada para a conformação dos filmes cerâmicos por permitir a obtenção de camadas porosas com espessuras variadas na ordem de micrômetros. Os pós de LSM foram sintetizados pela técnica de citratos e os pós de LSM/YSZ pela técnica de mistura de sólidos. Na etapa de conformação foram preparadas suspensões orgânicas de LSM e LSM/YSZ alimentada por gravidade em um aerógrafo manual. Para a conformação do substrato de YSZ utilizou-se uma prensa uniaxial hidráulica. Foram possíveis a obtenção das meia-células de óxido sólido catodo/eletrólito de estruturas cristalinas hexagonal para a fase LSM e cúbica para a fase YSZ. E as micrografias das meia-células mostram que o substrato YSZ é denso, suficiente para ser utilizado como eletrólito sólido, e os filmes de LSM e LSM/YSZ apresentam-se porosos com espessura de aproximadamente 30 μm e com boa aderência entre os catodos e o eletrólito. A presença do catodo compósito entre o catodo LSM e o substrato YSZ, possibilitou um aumento no desempenho eletroquímico na reação de redução do oxigênio. / The ceramic films of strontium-doped lanthanum manganite (LSM) and strontiumdoped lanthanum manganite/yttria-stabilized zirconia (LSM/YSZ) are used as cathodes of the high temperature solid oxide fuel cells (HTSOFC). These porous ceramic films had been deposited on the YSZ dense ceramic substrate, used as electrolyte, structural component of the module, thus conferring a configuration of half-cell called auto-support. The study of the half-cell it is basic, therefore in the interface cathode/electrolyte occurs the oxygen reduction reaction, consequently influencing in the performance of the HTSOFC. In this direction, the present work contributes for the processing of thin films, using the wet powder spraying technique, adopted for the conformation of the ceramic films for allowing the attainment of porous layers with thicknesses varied in the order of micrometers. The LSM powders were synthesized by the citrate technique and the LSM/YSZ powders synthesized by the solid mixture technique. In the stage of formation were prepared organic suspensions of LSM and LSM/YSZ fed by gravity in a manual aerograph. For the formation of the YSZ substrate was used a hydraulical uniaxial press. The attainment of solid oxide half-cells cathode/electrolyte was possible of crystalline structures hexagonal for phase LSM and cubic for phase YSZ. The half-cells micrographs show that the YSZ substrate is dense, enough to be used as solid electrolyte, and the LSM and LSM/YSZ films are presented porous with approximately 30 μm of thickness and good adherence between the cathodes and the electrolyte. The presence of composite cathode between the LSM cathode and YSZ substrate, presented an increase in the electrochemical performance in the oxygen reduction reaction.

Com o aumento da população mundial, o desenvolvimento de novas fontes e conversores de energia tornou-se uma necessidade. As células a combustível mostram-se como uma alternativa viável devido principalmente a duas razões, sua alta eficiência e a utilização de combustíveis renováveis. No presente trabalho se estuda a influência da temperatura de operação e o conteúdo de álcali no combustível sobre a densidade de potencia para uma célula a combustível de glicerol direto. Como combustível foi utilizado uma solução de glicerol:KOH (1M:xM, x=0, 1, 3, 5), como membranas foram utilizados filmes de polibencimidazol impregnado com ácido fosfórico (PBI/H3PO4, relação molar 1:11) ou 1-hexil-3-metilimidazol trifluorometanosulfonato (PBI/HMI-Tf relação molar 1:1.5), e finalmente, nano partículas de Pt suportadas em carbono (60% w/w) como catalizador no ânodo e no cátodo. Em geral, o incremento da temperatura e conteúdo de álcali no combustível mostra um efeito favorável na densidade de potencia do sistema. Numa célula a combustível unitária de glicerol direto utilizando membranas de PBI/ H3PO4 e PBI/HMI-Tf foram obtidas densidades de potencia de 0.54mW.cm-2 a 175°C e 0.599mW.cm-2 a 130°C, respectivamente, para uma solução de glicerol de (1M); enquanto que, para uma solução com um conteúdo maior de álcali, glicerol:KOH (1M:5M), foram obtidas densidades de potencia maiores, 44.1mW.cm-2 a 175°C e 29mW.cm-2 a 130°C, respectivamente. O efeito combinado do incremento da temperatura e concentração de álcali no combustível mostra um efeito maior em relação ao efeito só da temperatura. / With the increasing world population, the development of new energy sources or energy converters has become a necessity. Fuel cells show up as a viable alternative due mainly to two reasons, their high efficiency and the use of renewable fuels. In the present work we study the influence of operating temperature and alkali content in the fuel on the power density for a direct glycerol fuel cell. A glycerol:KOH (1M: xM, x = 0, 1, 3, 5) solution was used as fuels, as membranes were used polibencimidazol films impregnated with phosphoric acid (PBI/H3PO4, molar ratio of 1:11) or 1-hexyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate (PBI/HMI-Tf), and finally, Pt nanoparticles supported on carbon (60% w / w) as catalyst in the anode and cathode. In general, increasing the temperature and alkali content in the fuel shows a favorable effect in the system power density. In a direct glycerol fuel cell using PBI/H3PO4 and PBI /HMI-Tf membranes were obtained power density of 0.54mW.cm-2 at 175°C and 0.599mW.cm-2 at 130°C, respectively, for a 1M glycerol solution; while for a glycerol solution with a higher content of alkali, glycerol:KOH (1M: 5M), were obtained higher power densities, 44.1mW.cm-2 at 175 ° C and 29mW.cm-2 at 130 ° C, respectively. The combined effect of increased temperature and alkali concentration in the fuel shows a greater effect compared to the effect of temperature only.

Os eletrocatalisadores PtSnRh suportados em carbono-Sb2O5.SnO2, com 20% de massa de metal, foram preparados pelo método de redução por álcool, utilizando H2PtCl6.6H2O (Aldrich), RhCl3.xH2O (Aldrich) e SnCl2.2H2O (Aldrich), como fontes de metais; Sb2O5.SnO2 (ATO) e carbono Vulcan XC72, como suporte; e etileno glicol como agente redutor. Os eletrocatalisadores obtidos foram caracterizados fisicamente por difração de raios-X (DRX) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). Por meio dos difratogramas observou-se que os eletrocatalisadores PtSnRh/C-ATO possuem estrutura CFC para a Pt e ligas de Pt, além de vários picos associados ao SnO2 e ATO. Os tamanhos médios dos cristalitos ficaram entre 2 e 4 nm. Por meio das micrografias verificou-se uma boa distribuição das nanopartículas sobre o suporte. Os tamanhos médios das partículas ficaram entre 2 e 3 nm, com boa concordância para os tamanhos médios dos cristalitos. Os desempenhos dos eletrocatalisadores foram analisados por meio de técnicas eletroquímicas e em condições reais de operação utilizando uma célula a combustível unitária alimentada diretamente por etanol. Na cronoamperometria, a temperatura de 50ºC, os eletrocatalisadores com proporção de 85%C+15%ATO para o suporte, apresentaram a melhor atividade, e as proporções atômicas que obtiveram os melhores resultados foram PtSnRh(70:25:05) e (90:05:05). Nos experimentos em célula, o eletrocatalisador PtSnRh(70:25:05)/85C+15ATO apresentou o melhor desempenho. / PtSnRh electrocatalysts supported on carbon-Sb2O5.SnO2, with metal loading of 20 wt%, were prepared by an alcohol-reduction process, using H2PtCl6.6H2O (Aldrich), RhCl3.xH2O (Aldrich) and SnCl2.2H2O (Aldrich), as source of metals; Sb2O5.SnO2 (ATO) and carbon Vulcan XC72, as support; and ethylene glycol as reducing agent. The electrocatalysts obtained were characterized physically by X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). The diffractograms showed which PtSnRh/C-ATO electrocatalysts had FCC structure of Pt and Pt alloys, besides several peaks associated with SnO2 and ATO. The average sizes of crystallites were between 2 and 4 nm. TEM micrographs showed a good distribution of the nanoparticles on the support. The average sizes of particles were between 2 and 3 nm, with good agreement for the average size of the crystallites. The performances of the electrocatalysts were analyzed by electrochemical techniques and in real conditions of operation using single direct ethanol fuel cell. In the chronoamperometry at 50ºC, the electrocatalysts with carbon (85 wt%) and ATO (15 wt%) support, showed the best activity, and the atomic proportions which achieved the best results were PtSnRh(70:25:05) e (90:05:05). PtSnRh(70:25:05)/85C+15ATO electrocatalysts showed the best performance in a direct ethanol fuel cell.

Os filmes cerâmicos de manganito de lantânio dopado com estrôncio (LSM) e de manganito de lantânio dopado com estrôncio/zircônia estabilizada com ítria (LSM/YSZ) são utilizados como catodos das células a combustível de óxido sólido de temperatura alta (CaCOSTA). Estes filmes cerâmicos porosos foram depositados sobre o substrato cerâmico denso de YSZ, utilizado como eletrólito, componente estrutural do módulo, assim conferindo uma configuração de meia-célula denominada auto-suporte. O estudo da meia-célula é fundamental, pois na interface catodo/eletrólito ocorre a reação de redução do oxigênio, conseqüentemente influenciando no desempenho da CaCOSTA. Neste sentido, o presente trabalho contribui para a síntese de pós de LSM e LSM/YSZ e para o processamento de filmes finos, utilizando a técnica de pulverização de pó úmido, adotada para a conformação dos filmes cerâmicos por permitir a obtenção de camadas porosas com espessuras variadas na ordem de micrômetros. Os pós de LSM foram sintetizados pela técnica de citratos e os pós de LSM/YSZ pela técnica de mistura de sólidos. Na etapa de conformação foram preparadas suspensões orgânicas de LSM e LSM/YSZ alimentada por gravidade em um aerógrafo manual. Para a conformação do substrato de YSZ utilizou-se uma prensa uniaxial hidráulica. Foram possíveis a obtenção das meia-células de óxido sólido catodo/eletrólito de estruturas cristalinas hexagonal para a fase LSM e cúbica para a fase YSZ. E as micrografias das meia-células mostram que o substrato YSZ é denso, suficiente para ser utilizado como eletrólito sólido, e os filmes de LSM e LSM/YSZ apresentam-se porosos com espessura de aproximadamente 30 μm e com boa aderência entre os catodos e o eletrólito. A presença do catodo compósito entre o catodo LSM e o substrato YSZ, possibilitou um aumento no desempenho eletroquímico na reação de redução do oxigênio. / The ceramic films of strontium-doped lanthanum manganite (LSM) and strontiumdoped lanthanum manganite/yttria-stabilized zirconia (LSM/YSZ) are used as cathodes of the high temperature solid oxide fuel cells (HTSOFC). These porous ceramic films had been deposited on the YSZ dense ceramic substrate, used as electrolyte, structural component of the module, thus conferring a configuration of half-cell called auto-support. The study of the half-cell it is basic, therefore in the interface cathode/electrolyte occurs the oxygen reduction reaction, consequently influencing in the performance of the HTSOFC. In this direction, the present work contributes for the processing of thin films, using the wet powder spraying technique, adopted for the conformation of the ceramic films for allowing the attainment of porous layers with thicknesses varied in the order of micrometers. The LSM powders were synthesized by the citrate technique and the LSM/YSZ powders synthesized by the solid mixture technique. In the stage of formation were prepared organic suspensions of LSM and LSM/YSZ fed by gravity in a manual aerograph. For the formation of the YSZ substrate was used a hydraulical uniaxial press. The attainment of solid oxide half-cells cathode/electrolyte was possible of crystalline structures hexagonal for phase LSM and cubic for phase YSZ. The half-cells micrographs show that the YSZ substrate is dense, enough to be used as solid electrolyte, and the LSM and LSM/YSZ films are presented porous with approximately 30 μm of thickness and good adherence between the cathodes and the electrolyte. The presence of composite cathode between the LSM cathode and YSZ substrate, presented an increase in the electrochemical performance in the oxygen reduction reaction.

This dissertation discusses the interaction between fuel cells and the DC-DC converter just connected across its terminals. For that, it presents a modified algorithm to represent the dynamic behavior of fuel cell stacks as much the current ripple effects from power converters on such cells. PEM type fuel cells (Proton Exchange Membrane) are studied to get a reasonable model of the electrochemical and electric characteristics of the involved phenomena in the generation of electric energy from fuel cells. A T filter is used as interface between the fuel cell and the DC-DC converter. This converter must prevent large current ripples going through the cell terminals as well as keeping constant the power flow between the FC and the link DC to prevent itself of possible current transient. To connect it to the grid it was used a three-phase DC-AC converter to inject or to absorb current from the grid at reduced ripple distortion and to stabilize the DC link voltage. DC current controllers were designed to curb the link DC and AC currents within reasonable limits. Validation of the model was carried out through computer simulation in order to have an evaluation of the control system behavior both for the stack and for the injection and/or absorption of energy. Also, theoretical results with practical data from a fuel stack were compared with respect to the load variation across its terminals. / Esta dissertação discute a interação entre as células de combustível e o conversor de potência conectado aos seus terminais. Para isto é apresentado um algoritmo modificado para a modelagem dinâmica de conversores chaveados tanto quanto um estudo sobre os efeitos das ondulações de corrente sobre as células. Células do tipo PEM (Proton Exchange Membrane) são estudadas, obtendo-se um modelo razoável para análise das características eletroquímicas e elétricas dos fenômenos envolvidos na geração de energia elétrica com células de combustível. Como interface utiliza-se um conversor CC-CC associado a um filtro do tipo T . Este conversor tem a função de evitar a grande ondulação de corrente absorvida pela célula bem como, manter constante o fluxo de potência entre a FC e o barramento CC evitando-se assim, possíveis transitórios nos terminais da célula. O projeto do conversor de potência prevê a conexão à rede da concessionária através de um conversor CC-CA trifásico para injetar ou absorver corrente da rede com reduzida distorção harmônica e estabilização da tensão do barramento CC. Foram projetados controladores para a corrente CC, a tensão CC e a corrente CA. Como formas de validação foram realizadas simulações para avaliar o comportamento dos sistemas de controle para a pilha e para a injeção e/ou absorção de energia. Também foram comparados os resultados teóricos com os dados práticos de uma pilha submetida à variação de carga em seus terminais.

Com o aumento da população mundial, o desenvolvimento de novas fontes e conversores de energia tornou-se uma necessidade. As células a combustível mostram-se como uma alternativa viável devido principalmente a duas razões, sua alta eficiência e a utilização de combustíveis renováveis. No presente trabalho se estuda a influência da temperatura de operação e o conteúdo de álcali no combustível sobre a densidade de potencia para uma célula a combustível de glicerol direto. Como combustível foi utilizado uma solução de glicerol:KOH (1M:xM, x=0, 1, 3, 5), como membranas foram utilizados filmes de polibencimidazol impregnado com ácido fosfórico (PBI/H3PO4, relação molar 1:11) ou 1-hexil-3-metilimidazol trifluorometanosulfonato (PBI/HMI-Tf relação molar 1:1.5), e finalmente, nano partículas de Pt suportadas em carbono (60% w/w) como catalizador no ânodo e no cátodo. Em geral, o incremento da temperatura e conteúdo de álcali no combustível mostra um efeito favorável na densidade de potencia do sistema. Numa célula a combustível unitária de glicerol direto utilizando membranas de PBI/ H3PO4 e PBI/HMI-Tf foram obtidas densidades de potencia de 0.54mW.cm-2 a 175°C e 0.599mW.cm-2 a 130°C, respectivamente, para uma solução de glicerol de (1M); enquanto que, para uma solução com um conteúdo maior de álcali, glicerol:KOH (1M:5M), foram obtidas densidades de potencia maiores, 44.1mW.cm-2 a 175°C e 29mW.cm-2 a 130°C, respectivamente. O efeito combinado do incremento da temperatura e concentração de álcali no combustível mostra um efeito maior em relação ao efeito só da temperatura. / With the increasing world population, the development of new energy sources or energy converters has become a necessity. Fuel cells show up as a viable alternative due mainly to two reasons, their high efficiency and the use of renewable fuels. In the present work we study the influence of operating temperature and alkali content in the fuel on the power density for a direct glycerol fuel cell. A glycerol:KOH (1M: xM, x = 0, 1, 3, 5) solution was used as fuels, as membranes were used polibencimidazol films impregnated with phosphoric acid (PBI/H3PO4, molar ratio of 1:11) or 1-hexyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate (PBI/HMI-Tf), and finally, Pt nanoparticles supported on carbon (60% w / w) as catalyst in the anode and cathode. In general, increasing the temperature and alkali content in the fuel shows a favorable effect in the system power density. In a direct glycerol fuel cell using PBI/H3PO4 and PBI /HMI-Tf membranes were obtained power density of 0.54mW.cm-2 at 175°C and 0.599mW.cm-2 at 130°C, respectively, for a 1M glycerol solution; while for a glycerol solution with a higher content of alkali, glycerol:KOH (1M: 5M), were obtained higher power densities, 44.1mW.cm-2 at 175 ° C and 29mW.cm-2 at 130 ° C, respectively. The combined effect of increased temperature and alkali concentration in the fuel shows a greater effect compared to the effect of temperature only.

Orientador: Jose Antenor Pomilio / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-09T17:49:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ferreira_AndreAugusto_D.pdf: 4648060 bytes, checksum: fec10ea5d77379b209259bd3174d9224 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Este trabalho propõe uma estratégia de gestão de energia, para aplicações em veículos elétricos, baseado em um sistema supervisório nebuloso que combina três diferentes fontes de suprimento, em termos de densidade de energia e de densidade de potência, a saber: célula a combustível, bateria e supercapacitor. O sistema supervisório coordena o fluxo de potência entre os dispositivos de suprimento de energia e provê elevada qualidade de energia necessária para um bom desempenho do sistema de propulsão do veículo elétrico. A estratégia proposta de gestão de energia do conversor eletrônico com múltiplas entradas possibilita o controle individual da transferência de potência das fontes de suprimento, em suas melhores regiões da atuação. Um conveniente arranjo entre as fontes e alocação dos recursos disponíveis permite reduzir o dimensionamento da célula a combustível. Adicionalmente, a vida útil destas fontes e a imunidade do sistema de suprimento a variações bruscas de demanda de potência são melhoradas. Um protótipo de 3 kW é simulado e avaliado experimentalmente, incluindo um banco de baterias de chumbo-ácido e supercapacitor, para comprovar a eficácia da estratégia de controle proposta / Abstract: This work introduces an Energy Management strategy, for electrical vehicle applications, based on a fuzzy logic supervisory system that is able to combine three different power supply sources, i. e., fuel cell, battery and supercapacitor. The supervisory system coordinates the power flow between the power sources so that the system is able to provide high power quality, which is needed to achieve the desirable dynamic performance of the propulsion system. The proposed energy management strategy of a multiple input power electronic converter takes advantage of the individual characteristics of each power sou rce and makes than operate atthe best operation region. Through adequate power sources arrangements and use of the available resources, the fuel cell size is reduced. In addition, the power sources¿ life time and the system ride-through at sudden load disturbances are increased. Simulation and experimental results of a 3 kW prototype, with real supercapacitor and lead-acid batteries bank, prove that the fuzzy logic is a suitable energy management control strategy / Doutorado / Automação / Doutor em Engenharia Elétrica

Cette étude traite de la préparation de nanomatériaux à base de palladium et de platine qui ont une morphologie contrôlée, et de la caractérisation de leur activité électrocatalytique vis-à-vis de l'oxydation de l'éthanol, l'éthylène glycol et le glycérol en milieu alcalin. La détermination des différentes propriétés de ces matériaux utilisés comme catalyseurs anodiques a permis la compréhension des étapes clés et l'élucidation des principaux chemins réactionnels impliqués dans la conversion électrochimique de ces alcools utilisables comme combustible dans une pile.Dans ce contexte, ces nanomatériaux ont été synthétisés soit par la méthode d'auto-assemblage électrostatique, soit par la méthode polyol assistée par microondes. Ces méthodes de synthèse chimique choisies car plus adaptées à cette fin, ont permis d'obtenir des nanoparticules de type cœur@coquille dont les atomes de palladium ou de platine sont situés dans la coquille, et le cœur constitué de nickel, ruthénium ou d'étain. Nanomatériaux synthétisés par auto-assemblage électrostatique - Par souci d'économiser les métaux nobles et précieux, sans pour autant perdre en activité, les électrocatalyseurs synthétisés par auto-assemblage électrostatique ont été dispersés dans du carbone Vulcan XC-72R ou déposés sur des Nanotubes de Carbone (NTC) avec un taux de charge métallique de wt. 40%. Les résultats issus des différentes caractérisations physicochimiques ont montré que les matériaux préparés ont des compositions expérimentales (par Spectroscopie de Rayons-X à Dispersion d’Énergie – EDX) similaires aux valeurs nominales ; les paramètres de maille et volume des particule varient légèrement pour les différents matériaux (Microscopie Electronique en Transmission – MET et Diffraction des Rayons X – DRX), mais ont gardé le caractère cristallographique de la structure cubique à faces centrées du palladium et du platine. Les nanoparticules obtenues sont en général de forme sphérique et ont une taille comprise entre 2 et 9 nm ; leur morphologie indique des systèmes très organisés, mais leur structure coeur@coquille n'a pour l'instant pas été formellement déterminée. Des expériences de CO-Stripping ont permis de caractériser électrochimiquement les surfaces actives les matériaux qui ont été synthétisés. Il en résulte leur surface active augmentent de façon très significative des systèmes monométalliques aux électrodes bimétalliques, en particulier les nanocatalyseurs Ru@Pd/NTC et Ni@Pt/NTC qui ont des surfaces spécifiques respectives de 73 et 74 m²g-1Pd/Pt. Concernant l'électrooxydation des alcools en C2 et C3 dans un électrolyte alcalin (1,0 mol L-1 [NaOH] + 0,5 mol L-1 [alcool]), les électrocatalyseurs contenant du platine et déposés sur des nanotubes de carbone ont une meilleure activité électrocatalytique vis-à-vis de l’oxydation du combustible éthylène glycol en termes de densité de courant mesurée à un potentiel de -0,2 V vs. Hg/HgO/OH-. Par exemple, sur l’électrode de composition Ni@Pt/NTC, il a été relevé en début d’expérience de chronoampérométrie une densité de courant de 200 mA mg-1Pt qui a seulement baissé à 180 mA mg-1Pt après une étude qui a duré 90 minutes.Des analyses par chromatographie liquide (CLHP) ont été entreprises pour déterminer les molécules issues de l’oxydation des combustibles susmentionnés. Les taux de conversion de l'éthylène glycol et du glycérol ont respectivement atteint 74 et 58 % après 12 heures d'électrolyse par chronoampérométrie sur les catalyseurs Ru@Pt/NTC et Ni@Pt/NTC. Si l’oxydation du glycérol produit sélectivement des ions formiate et oxalate sur Ru@Pt/NTC, elle conduit majoritairement aux ions tartronate et mesoxalate sur l’électrode Ni@Pt/NTC, révélant ainsi deux chemins réactionnels de la transformation électrochimique du combustible glycérol selon la structure cœur-coquilles du matériau bimétallique. / The present study proposes the synthesis of nanocatalysts based on palladium and platinum with high morphological organization and investigates their catalytic activity for the electrooxidation of ethanol, ethylene glycol, and glycerol in alkaline medium, seeking to understand the steps and mechanisms involved in these reactions. The nanomaterials were synthesized by the electrostatic self-assembly method and by the polyol microwave-assisted method. The goal was to obtain nanoparticles with morphology inspired by the core@shell-type systems, where the shell layer consists of platinum or palladium, and the core contains nickel, ruthenium, or tin. The electrocatalysts synthesized by the electrostatic self-assembly method were supported on Carbon Vulcan XC-72R or Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNT, metal/carbon = 40:60). Morphology characterization data indicated uniform spherical shape nanoparticles with size ranging between 2 and 9 nm, besides, the specific morphology point to a particular degree of organization. However, the presence of the core@shell-type system was not confirmed through this analysis. CO-Stripping experiments demonstrated that the electrochemically active surface area of the bimetallic systems increased significantly, particularly for the nanocatalysts Ru@Pd/CNT and Ni@Pt/CNT, whose surface areas were 72.8 and 74.1 m²g-1Pd/Pt² respectively. Concerning the electrooxidation of C2 and C3 alcohols in alkaline medium (1.0 mol L-1 NaOH + 0.5 mol L-1 Fuel), M@Pt/CNT systems exhibited higher catalytic activity, especially when employing ethylene glycol as the fuel, which provided the highest catalytic current at constant potential (Eapp = -0.2 V vs. Hg/HgO/OH-). Specifically, the Ni@Pt/CNT nominal composition presented catalytic activity of 180 mA mg-1Pt. Electrochemical conversion studies were performed with the ethyleneglycol-Ru@Pt/CNT and glycerol-Ni@Pt/CNT systems, and after 12 hours of electrolysis, conversion reached values around 74% and 58%, respectively. Concerning the preferential mechanisms for glycerol electrooxidation, evaluated by liquid chromatography analysis, glycerate and tartronate ions were the major intermediates formed. The Ru@Pt/CNT nanocatalyst was selective for formate and oxalate ions. In addition, Ni@Pd/CNT generated mesoxalate ion during the reaction, suggesting a dual pathway for glycerol conversion, via tartronate and/or mesoxalate ions.The nanostructured materials synthesized by the polyol microwave-assisted method were supported on carbon Vulcan XC-72R with 20% wt. metallic loading. Briefly, the metal cores were synthesized separately for successive deposition of the noble metal, by employing the consecutive reductions technique. We investigated the palladium-based bimetallic catalysts, with ruthenium or nickel metallic cores, for the electrooxidation of ethylene glycol (0.1 mol L-1) in alkaline medium (0.1 mol L-1 NaOH). Morphology characterization data indicated that Pd/C catalyst displayed different nanoparticle shapes, and particle size ranged from 3 to 40 nm. Ru@Pd/C and Ni@Pd/C displayed spherical shape with particle size between 2 and 7 nm and between 3 and 10 nm, respectively. Ni@Pd/C exhibited the higher activity towards ethylene glycol oxidation in alkaline medium, reaching values of about 80 mA mg-1Pd at the end of chronoamperometry experiments. Overall, combination of the results obtained by liquid chromatography-mass spectrometry and infrared spectroscopy in situ showed that oxidation of glycolate ion is the limiting step for ethylene glycol conversion in alkaline medium in the presence of palladium-based catalysts. Lower amounts of glycolaldehyde, glyoxylate, and oxalate ions emerged at the end of electrolysis procedure, and no carbonate arose. / O presente estudo tem como objetivo propor a síntese de nanocatalisadores à base de paládio e platina com elevada organização morfológica e investigar a referente atividade catalítica ao promover a eletro-oxidação do etanol, etilenoglicol e glicerol em meio alcalino, buscando assim compreender as etapas e mecanismos envolvidos perante estas reações. Neste contexto, os nanomateriais foram sintetizados pelo método de automontagem eletrostática e pelo método de poliol assistido por micro-ondas. Estas metodologias foram selecionadas a fim de obter nanopartículas com morfologia inspirada em sistemas do tipo core@shell (núcleo@casca), empregando átomos de paládio ou platina localizados na casca sobre núcleos de níquel, rutênio ou estanho. Os eletrocatalisadores sintetizados via automontagem eletrostática foram suportados em Carbono Vulcan XC-72R ou Nanotubos de Carbono de paredes múltiplas, com razão metal:carbono igual a 40:60. As nanopartículas obtidas apresentaram tamanho que variou entre 2-9 nm, formato esférico em quase sua totalidade e morfologia que indicava a presença de um determinado grau de organização; entretanto não foi confirmada a presença de sistemas do tipo core@shell. Experimentos de CO-Stripping demonstraram um aumento significativo da área eletroquimicamente ativa dos sistemas bimetálicos, com destaque para os nanocatalisadores Ru@Pd/NTC e Ni@Pt/NTC que apresentaram valores de 72,8 e 74,1 m² g-1Pd/Pt² respectivamente. Perante a eletro-oxidação dos álcoois C2 e C3 em meio alcalino (1,0 mol L-1 [NaOH] + 0,5 mol L-1 [Combustível]), os sistemas que apresentaram atividade catalítica mais elevada foram M@Pt/NTC, destacando o etilenoglicol como o combustível que propiciou a maior corrente catalítica quando submetido a potencial constante (E = -0,2 V vs. Hg/HgO/OH-). Mais especificamente, a composição Ni@Pt/NTC apresentou ao final dos experimentos de cronoamperometria um valor de atividade catalítica da ordem de 180 mA mg-1Pt. Os estudos de conversão eletroquímica demonstraram que ao empregar os sistemas etilenoglicol-Ru@Pt/NTC e glicerol-Ni@Pt/NTC atinge-se valores de conversão eletroquímica da ordem de 74% e 58%, respectivamente, após 12 horas de eletrólise a potencial controlado. Quanto aos mecanismos preferenciais de eletro-oxidação do glicerol, avaliados empregando análises de cromatografia líquida, foi verificada a formação majoritária dos íons glicerato e tartronato. Pontualmente, o nanocatalisador Ru@Pt/NTC indicou seletividade para a produção de íons formato e oxalato. Contudo, o catalisador Ni@Pd/NTC propiciou a eletrogeração do íon mesoxalato, sugerindo uma rota dupla de conversão do glicerol, via formação de íons tartronato e/ou mesoxalato.Os materiais nanoestruturados sintetizados via metodologia poliol assistida por micro-ondas foram suportados em Carbono Vulcan XC-72R com carga metálica igual a 20%. Especificamente para este caso, foram sintetizados os núcleos metálicos separadamente, para posterior deposição do metal nobre, empregando a técnica de reduções consecutivas. Foram investigados catalisadores bimetálicos à base de paládio, com núcleos de rutênio ou níquel, para promover a eletro-oxidação do etilenoglicol (0,1 mol L-1) em meio alcalino (0,1 mol L-1 NaOH). As nanopartículas de Pd/C apresentaram diferentes formatos e intervalo de tamanho entre 3-40nm. Para os catalisadores Ru@Pd/C e Ni@Pd/C foram verificados sistemas esféricos com variação do tamanho de partículas entre 2-7 nm e 3-10 nm, respectivamente. Os nanomateriais de composição nominal Ni@Pd/C exibiram elevada atividade para oxidar as moléculas de etilenoglicol em meio alcalino, atingindo valores da ordem de 80 mA mg-1Pd ao final dos experimentos de cronoamperometria.