Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Tese de doutoramento. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2005

Células a combustível são considerados dispositivos para geração de energia limpa, já que usam hidrogênio como combustível, sendo o produto da reação, energia elétrica, água e calor. Além disso, algumas células de combustível operam a baixas temperaturas; tratando-se deste caso, um dos maiores desafios relacionado à transferência da tecnologia é o desenvolvimento das membranas. Nesse sentido, desenvolveu-se um sistema umidificador e separador de CO2 para aplicação em um protótipo de célula a combustível de membrana alcalina baseada em celulose. Os dois principais problemas desse tipo de célula quando operam com ar são: i) o envenenamento da célula pelo CO2 presente no ar, e ii) a desidratação da membrana celulósica que suporta a solução aquosa de KOH (eletrólito). O objetivo desse trabalho foi desenvolver um sistema para resolver esses dois problemas. Dessa forma, testou-se uma possível configuração de umidificador capaz de absorver o CO2 do ar. O desempenho da célula a combustível alcalina foi avaliado a partir de curvas de polarização e curvas de potência. A separação do CO2 mostrou-se necessária desde a primeira fase de operação da célula, a qual apresentou efeitos do envenenamento por CO2 desde o início da operação. O efeito do umidificador também pode ser observado ao longo do tempo de funcionamento da célula, quando a membrana começou a sofrer desidratação dificultando a mobilidade dos íons OH-. De um modo geral, o sistema proposto no presente estudo mostrou-se promissor tendo sido observado um aumento no desempenho na ordem de 100%, comparativamente ao protótipo sem o umidificador e separador de CO2. / Fuel cells are held as devices for clean energy generation, since they use hydrogen as fuel, generating electricity, water and heat. Furthermore, some fuel cells operate at low temperatures, where one of the greatest challenges is the development of membranes. In this context, this study has developed a humidifier system and CO2 separator for use in a cellulose based prototype of an alkaline membrane fuel cell. The two main problems with this type of cell when operating in air are: i) the cell poisoning by the CO2 present in the air, and ii) dehydration of the cellulosic membrane that supports the aqueous KOH solution (electrolyte). The objective of this study was to develop a system that solves these two problems. Thus, it was tested a possible configuration of humidifier which could be capable of absorbing the CO2 present in the air. The performance of the alkaline fuel cell was evaluated from polarization curves and power curves. The CO2 separation proved to be necessary from the beginning of the cell operation, which showed effects of CO2 poisoning still in the early operating stages. The effect of the humidifier can also be observed over time during the cell operation, whereupon the membrane began to undergo dehydration hindering the mobility of the OH- ions. Generally the system proposed in the present study has shown itself as promising, since it showed a performance increase of approximately 100% when compared to the prototype without CO2 separator and humidifier.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Florestal, Programa de Pós-Graduação em Ciências Florestais, 2017. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2017-04-05T16:10:38Z No. of bitstreams: 1 2017_AlineFaleiroDionizio.pdf: 2169062 bytes, checksum: b4461e0129eeb27a55c3342afa99ec4a (MD5) / Approved for entry into archive by Guimaraes Jacqueline(jacqueline.guimaraes@bce.unb.br) on 2017-04-13T13:49:10Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_AlineFaleiroDionizio.pdf: 2169062 bytes, checksum: b4461e0129eeb27a55c3342afa99ec4a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-13T13:49:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_AlineFaleiroDionizio.pdf: 2169062 bytes, checksum: b4461e0129eeb27a55c3342afa99ec4a (MD5) / No atual contexto energético a diversificação da matriz energética e o desenvolvimento de tecnologias limpas tornam-se cada vez mais necessário para suprir a crescente demanda frente a diminuição na oferta dos combustíveis fósseis, além das explícitas vantagens ambientais diante das alarmantes mudanças climáticas em curso no planeta. Nesse sentido, resíduos de biomassa das mais variadas origens despontam-se como interessantes alternativas energéticas, no entanto o seu aproveitamento é limitado pelo pouco conhecimento sobre seu potencial energético. O presente estudo tem como objetivo avaliar o potencial energético de resíduos agroflorestais, visando à obtenção de produtos energéticos renováveis com maior valor agregado. Neste sentido os resíduos de casca de café, palha de feijão, madeira de construção civil, madeireira e sabugo de milho foram avaliados in natura, carbonizados e compactados. As características analisadas foram: umidade, densidade do granel, granulometria, análise imediata, composição química, análise elementar, poder calorífico superior e útil e a densidade energética. Os dados foram submetidos à análise de variância e as médias comparadas através do teste de Tukey a 5% de significância. Ao final do estudo pôde-se concluir que a casca de café in natura apresentou as melhores propriedades para uso em combustão direta. O carvão de resíduos de madeira apresentou melhores propriedades para fins energéticos e o carvão da palha de feijão apresentou características inferiores às demais biomassas analisadas. Quanto aos briquetes, a quirela de milho e de sorgo, por terem altos teores de amido, podem ser utilizadas como aglutinantes, diminuindo os custos de produção de briquetes. / In the current energy context the diversification of the energetic matrix and the development of sustainable technologies has become increasingly necessary in order to meet growing demand of a reduction in the supply of fossil fuels, in addition to the explicit environmental advantages front of alarming ongoing climate change on the planet. In this sense, biomass residuals of the most varied origins appear as interesting energetic alternatives, however this use is limited by the summary knowledge about this energetic potential. The present study evaluates the energy potential of agroforestry residues to obtaining renewable energy products with higher value added. This way coffee husk residues, bean straw, construction timber, wood and corn cob were evaluated “in natura”, carbonized and compacted. The analyzed characteristics were: moisture, bulk density, grain size, immediate analysis, chemical composition, elemental analysis, superior and useful calorific value and energy density. In fact, the data were submitted to analysis of variance and were compared using the Tukey test at 5% of significance. At the end of the study was possible to conclude that coffee husk in natura presented the best properties for use in direct combustion. The charcoal residuals presented better properties for energy purposes and the charcoal of the bean straw presented lower characteristics inferior to the other biomasses analyzed. The corn and sorghum quirela have high starch contents, so they can be used to agglutinate, reducing the production costs of briquettes.

Células a combustível são considerados dispositivos para geração de energia limpa, já que usam hidrogênio como combustível, sendo o produto da reação, energia elétrica, água e calor. Além disso, algumas células de combustível operam a baixas temperaturas; tratando-se deste caso, um dos maiores desafios relacionado à transferência da tecnologia é o desenvolvimento das membranas. Nesse sentido, desenvolveu-se um sistema umidificador e separador de CO2 para aplicação em um protótipo de célula a combustível de membrana alcalina baseada em celulose. Os dois principais problemas desse tipo de célula quando operam com ar são: i) o envenenamento da célula pelo CO2 presente no ar, e ii) a desidratação da membrana celulósica que suporta a solução aquosa de KOH (eletrólito). O objetivo desse trabalho foi desenvolver um sistema para resolver esses dois problemas. Dessa forma, testou-se uma possível configuração de umidificador capaz de absorver o CO2 do ar. O desempenho da célula a combustível alcalina foi avaliado a partir de curvas de polarização e curvas de potência. A separação do CO2 mostrou-se necessária desde a primeira fase de operação da célula, a qual apresentou efeitos do envenenamento por CO2 desde o início da operação. O efeito do umidificador também pode ser observado ao longo do tempo de funcionamento da célula, quando a membrana começou a sofrer desidratação dificultando a mobilidade dos íons OH-. De um modo geral, o sistema proposto no presente estudo mostrou-se promissor tendo sido observado um aumento no desempenho na ordem de 100%, comparativamente ao protótipo sem o umidificador e separador de CO2. / Fuel cells are held as devices for clean energy generation, since they use hydrogen as fuel, generating electricity, water and heat. Furthermore, some fuel cells operate at low temperatures, where one of the greatest challenges is the development of membranes. In this context, this study has developed a humidifier system and CO2 separator for use in a cellulose based prototype of an alkaline membrane fuel cell. The two main problems with this type of cell when operating in air are: i) the cell poisoning by the CO2 present in the air, and ii) dehydration of the cellulosic membrane that supports the aqueous KOH solution (electrolyte). The objective of this study was to develop a system that solves these two problems. Thus, it was tested a possible configuration of humidifier which could be capable of absorbing the CO2 present in the air. The performance of the alkaline fuel cell was evaluated from polarization curves and power curves. The CO2 separation proved to be necessary from the beginning of the cell operation, which showed effects of CO2 poisoning still in the early operating stages. The effect of the humidifier can also be observed over time during the cell operation, whereupon the membrane began to undergo dehydration hindering the mobility of the OH- ions. Generally the system proposed in the present study has shown itself as promising, since it showed a performance increase of approximately 100% when compared to the prototype without CO2 separator and humidifier.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Economia, Administração, Contabilidade e Ciência da Informação e Documentação, Departamento de Economia, 2009. / Submitted by Albânia Cézar de Melo (albania@bce.unb.br) on 2012-09-10T15:53:44Z No. of bitstreams: 1 2009_LuizFernandoOliveiraWosch.pdf: 885796 bytes, checksum: db815aaecf313b30a60f28607af463f9 (MD5) / Approved for entry into archive by Luanna Maia(luanna@bce.unb.br) on 2012-09-11T14:48:01Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2009_LuizFernandoOliveiraWosch.pdf: 885796 bytes, checksum: db815aaecf313b30a60f28607af463f9 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-09-11T14:48:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2009_LuizFernandoOliveiraWosch.pdf: 885796 bytes, checksum: db815aaecf313b30a60f28607af463f9 (MD5) / A experiência brasileira na produção de etanol é reconhecida no mundo como um caso de sucesso. O Proálcool, criado em 1975, pode ser visto como o grande marco dessa trajetória, a qual ganhou novo impulso em 2003, com a implantação da tecnologia flex-fuel, dando plena autonomia aos consumidores para decidir sobre a escolha do combustível mais apropriado: álcool ou gasolina. Cumpriu-se, assim, uma importante etapa de consolidação do mercado de etanol no Brasil. No cenário mundial, o ritmo crescente dos preços do petróleo, o recrudescimento dos conflitos nas grandes áreas produtoras e a mobilização com vista a reduzir as emissões de gases responsáveis pelo efeito estufa convergem na direção de se buscar soluções viáveis para essas questões. Nesse sentido, há um consenso sobre a utilização de biocombustíveis, com destaque para o etanol. Diante desse quadro, o Brasil defronta-se diante do desafio de inserir-se no mercado mundial de etanol. A sua grande vantagem comparativa e a condição de segundo maior produtor mundial qualificam-no para alcançar esse objetivo. Contudo, o mercado sinaliza uma acirrada competição, sobretudo por parte do maior concorrente, os Estados Unidos. Dessa forma, a habilidade em reduzir o forte protecionismo presente nesse mercado, representado por tarifas e grande volume de subsídios, e a disposição de manter investimentos na descoberta de novas tecnologias e ampliação da capacidade produtiva consistem requisitos indispensáveis para sustentar a competitividade do País. Analisar esse quadro desafiador é o objetivo do presente trabalho. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT / The Brazilian experience in ethanol production is worldwide recognized as a successful enterprise. The “Proálcool” program, created in 1975 may be seen as the major milestone of this journey, which has gained new momentum in 2003 with the deployment of flex-fuel, giving full autonomy to consumers to decide on the choice of most appropriate fuel: alcohol or gasoline. An important step to consolidate the ethanol market in Brazil is, therefore, fulfilled. At the global level, the increasing rates of oil prices, the worsening conflict in major producing areas and mobilization to reduce emissions of greenhouse gases converge in direction of searching for viable solutions to these issues. In this sense, there is a consensus on the use of biofuels, especially ethanol. Given this situation, Brazil faces the challenge of entering into the world market for ethanol. Its comparative advantage and the condition of the second largest producer in the world qualify it to achieve that goal. However, the market points to a fiercer competition, especially by its largest competitor, the United States. Thus, the ability to reduce the strong protectionism in this market, represented by high-volume rates and subsidies, and readiness to fund researches on new technologies and the expansion the productive capacity consist the indispensable requirements if the country wants to sustain its competitiveness. This work’s goal is to analyze this challenging scenario.

Made available in DSpace on 2018-08-01T22:57:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_10991_Dissertação Final de Mestrado - Maurício Carlos Moreas PDF.pdf: 2886019 bytes, checksum: 62def5cfde18f2522560aa5640b00430 (MD5) Previous issue date: 2018-02-26 / A energia renovável é fundamental para suprir novas tecnologias, e uma alternativa promissora para gerar energia limpa seria a célula a combustível (FC), a qual produz energia elétrica com redução de poluentes, e com o uso de combustíveis provenientes da biomassa, torna-se uma fonte de energia sustentável. Entretanto, é necessário minimizar o custo de produção e facilitar o abastecimento de FCs para possibilitar a aplicação em larga escala. Dentro desse contexto, foram preparados catalisadores compostos por Pt e NiO, os quais foram caracterizados por Difração de Raio-X, Espectroscopia de Energia Dispersiva e Microscopia Eletrônica de Varredura. Os catalisadores apresentaram aspecto de barro rachado, distribuição homogênea na superfície e concentrações próximas às nominais. Observou-se ainda, uma relação direta entre o tamanho dos cristalitos e a concentração de Pt. Além disso, não houve formação de liga metálica entre Ni e Pt, visto que não foram identificadas alterações nos parâmetros de rede da platina (cfc). A caracterização quanto ao comportamento eletrocatalítico da oxidação de glicerol nos eletrodos PtxNi(1-x)Oy/Ti foi investigado em meio alcalino. Os catalisadores foram preparados por decomposição térmica de precursores poliméricos em diferentes composições metálicas com alta área de superfície eletroquímica. Os resultados da voltametria cíclica e cronoamperometria mostraram que as densidades de corrente de oxidação de glicerol para eletrodos mistos eram maiores que as obtidas para eletrodos contendo apenas Pt em valores de potenciais baixos. Além disso, a mudança do potencial de início da oxidação de glicerol em direção a valores menos positivos também foi registrada, mostrando uma oxidação facilitada com esses materiais em comparação com Pt. Os eletrodos que se destacaram são Pt0,8Ni0,2Oy/Ti e Pt0,9Ni0,1Oy/Ti por apresentar a eletroatividade mais alta e a maior eficiência, respectivamente.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo numérico computacional e respectiva metodologia para estudo e projeto de células a combustível a membrana polimérica trocadora de prótons PEM. Para a validação dos resultados experimentais, descreveu-se uma seqüência de rotinas de programação, adequadas ao ajuste dos dados obtidos em laboratório. Com relação à implementação computacional criou-se uma estratégia inovadora de acoplamento com dois modelos tridimensionais, de forma a satisfazer as exigências do modelo completo de célula a combustível, comportando suas diversas geometrias e materiais, assim como os diversos processos físicoquímicos simulados. Com a finalidade de avaliação eficaz da analogia da célula real com o modelo numérico, foram realizados estudos numéricos, comparações com valores obtidos na literatura, caracterização de variáveis por meio de experimentos laboratoriais e estimativas com base em modelos já estudados na literatura. Para a parte experimental, um protótipo de célula a combustível unitária de 144 cm2 de área geométrica foi projetado, produzido e operado em bancada com a finalidade de validação do modelo numérico computacional proposto, apresentando resultados positivos. Os resultados das simulações para as geometrias 2D e 3D propostas são apresentados em forma de curvas de polarização, destacando o modelo de camada catalítica baseado na geometria de aglomerados. Estudos paramétricos e de sensibilidade são apresentados como ilustração da variação do desempenho da célula a combustível estudada. O modelo final é robusto e útil como ferramenta de projeto e otimização de células tipo PEM em uma ampla faixa de condições de operação. / This work presents the development of a numerical computer model and methodology to study and design polymeric exchange membrane fuel cell PEM. For the validation of experimental results, a sequence of routines, appropriate to fit the data obtained in the laboratory, was described. At the computational implementation it was created a new strategy of coupling two 3-dimensional models to satisfy the requirements of the comprehensive model of the fuel cell, including its various geometries and materials, as well as the various physical and chemical processes simulated. To effective assessment of the real cell analogy with numerical model, numerical studies were carried out. Comparisons with values obtained in the literature, characterization of variables through laboratory experiments and estimates from models already tested in the literature were also performed. Regarding the experimental part, a prototype of a fuel cell unit of 144 cm2 of geometric area was designed, produced and operated at laboratory with the purpose of validating the numerical computer model proposed, with positive results. The results of simulations for the 2D and 3D geometries proposed are presented in the form of polarization curves, highlighting the catalytic layer model based on the geometry of agglomerates. Parametric and sensitivity studies are presented to illustrate the change in performance of the fuel cell studied. The final model is robust and useful as a tool for design and optimization of PEM type fuel cells in a wide range of operating conditions.

As Pilhas a Combustível estão cada vez mais atraindo o interesse como dispositivos de conversão de energia eficientes e, principalmente limpos. O Hidrogênio que alimenta as Pilhas a Combustível, deve ser gerado também de forma eficiente e limpa. Este trabalho utiliza a metodologia Delphi para Previsão Tecnológica aplicada ao assunto Geração de Hidrogênio, identificando os métodos que mais provavelmente serão utilizados no futuro para obtermos Hidrogênio aqui no Brasil. O método Delphi consiste na aplicação de um questionário a um grupo de especialistas na área em estudo. Foi elaborado um questionário contendo 10 questões direcionados ao assunto Produção de Hidrogênio para utilização em Pilhas a Combustível. Este questionário foi enviado a 677 pesquisadores através do correio eletrônico e obtivemos um retorno de 115 respostas que foram tabuladas e receberam um tratamento estatístico. Estes dados foram reenviados aos respondentes do questionário para uma avaliação de suas respostas e uma possível alteração. Após o ciclo de avaliações obtivemos os resultados finais que foram novamente tabulados e tratados estatisticamente. Através da análise destes dados chegamos aos métodos mais prováveis de produção de hidrogênio que serão utilizados no futuro, se vier a ser utilizado em larga escala. / Fuel Cells are attracting interest as efficient and clean energy conversion devices. Hydrogen is the combustible of the Fuel Cells and must be generated by an efficient and clean method. This work exploits Delphi methodology of Technological Forecasting applied to Hydrogen Generation and identifies the most probable methods that, in future, can be used to obtain Hydrogen in Brazil. Delphi methodology consist in application of one questionnaire to a group of experts in the studied area. One questionnaire with 10 questions was elaborated about theme Hidrogen Generation to Fuel Cells utilization. This questionnaire was sent by Email to 677 experts and we received 115 answers that was tabulated and statistically treated. These data was resent to respondents of questionnaire to evaluate your answers and make a possible change. After evaluation cycle we obtained the final results that was tabulated and statistically treated again. By analysis of these data we obtained the most probable hydrogen generation methods that will be utilized in the future.