Neste trabalho foi desenvolvido um eletrólito à base de resina hidrocarbônica sulfonada e membrana de celulose para uso em célula a combustível (FC) para produção de energia. O eletrólito foi obtido pela sulfonação da resina indeno-estireno com sulfato de acetila, variando-se o grau de sulfonação (GS) de 20 a 60%, sendo os grupos sulfônicos da resina responsáveis pelo transporte de prótons do ânodo para o cátodo. A membrana de celulose foi preparada a partir da decantação de fibras de celulose suspensas em coluna d’água utilizando-se vácuo, sendo estas tratadas com etanol. A resina sulfonada foi avaliada quanto ao GS, solubilidade em água e condutividade em solução. A resina tal qual e sulfonada e a membrana de celulose foram caracterizadas quanto ao comportamento térmico por DSC e TGA. O eletrólito impregnado na membrana de celulose foi avaliado em protótipo de FC untária tipo PEM. Quanto maior o GS da resina maior a sua solubilidade em água e condutividade iônica. A inserção de grupos sulfônicos na resina aumenta a temperatura de transição vítrea do polímero ou o ponto de amolecimento da resina sulfonada. O eletrólito que apresentou melhor desempenho no protótipo de FC foi o GS44C30-MCT, preparado com resina com GS de 44%, solução aquosa de concentração de 30% e membrana de celulose tratada com etanol (MCT), cujas curvas de polarização i-V e i-P foram semelhantes às obtidas com a membrana Nafion® 117, sob mesmas condições a 80 ºC. A potência máxima e potencial de circuito aberto obtidos com o eletrólito GS44C30_MCT foram de 15,3 mW/cm² e 0,927V, respectivamente. A proposta de um eletrólito em solução suportado em uma membrana apresentou potencial de uso para uma célula tipo PEM. / In this work it was developed an electrolyte based on sulfonated resin and cellulose membrane for use in fuel cells (FC) to produce energy. The electrolyte was obtained from indene-styrene resin sulfonated with acetyl sulfate, ranging the sulfonation degree (GS) between 20 to 60%, being the sulfonic groups responsible by protons transport from anode to cathode. The cellulose membrane was prepared from decantation with vacuum of cellulose fibbers in water column, and was treated with ethanol. The sulfonated resin was evaluated as the GS, water solubility and conductivity on solution. The pristine resin, the sulfonated one and the cellulose membrane were characterized as to thermal behavior by DSC and TGA. The electrolyte impregnated in cellulose membrane was evaluated in a PEMFC prototype. The insertion of sulfonated groups on the resin increases polymer glass transition temperature or sulfonated resin softening point. The electrolyte that presented the highest performance on the FC prototype was GS44C30_MCT prepared with 44% of GS and 30% of concentration and cellulose membrane with treatment (MCT). This (i-V and i-P) polarization curves were similar to the ones obtained with Nafion® 117 membrane, in the same conditions. The maximum power and open circuit voltage with this electrolyte were 15,3 mW/cm² and 0,927 V, respectively. The proposal of an electrolyte in solution showed potential to use in a PEMFC.

Células a combustível de membrana trocadora de prótons (PEMFC) são dispositivos promissores para a conversão de energia em aplicações portáteis e estacionárias. Seu desempenho é fortemente influenciado pelas características da sua camada de difusão de gás (GDL), tais como morfologia, condutividade elétrica, porosidade, estabilidade química e resistência mecânica. A GDL também deve mostrar um equilíbrio entre hidrofobicidade e hidrofilicidade para garantir que o sistema operacional da célula funcione sem obstrução das vias de fluxo de gases, mas ainda mantendo uma umidade adequada. Neste trabalho, um processo simples foi desenvolvido para produzir GDL para PEMFC, visando obter um material alternativo aos já existentes no mercado como o tecido e o papel de carbono reduzindo o custo do produto final. As GDLs foram produzidas com fibras de carbono curtas dispersas em resina poliuretana (PU), seguida de prensagem a quente. Após o processo de tratamento térmico, as GDL foram tratadas, em uma suspensão contendo nanopartículas de carbono dispersas na solução de PTFE, através do processo de dip-coating. Estudou-se a influência da razão PU: fibra de carbono, e o teor de nanopartículas de carbono Vulcan adicionado à resina PU. As GDL obtidas foram caracterizadas quanto à morfologia, condutividade elétrica, análise térmica, ângulo de contato e ensaio de tração. Os resultados mostraram que a melhor proporção de resina PU:fibra de carbono foi de 1:1, que apresentou uma menor resistividade (2,68 × 10-5 Ω.m). Nas GDLs pós-tratadas com PTFE contendo diferentes teores de nanopartículas de carbono VULCAN, o melhor resultado obtido foram das amostras do sistema de proporção PU:fibra de carbono com 0,20 g de nanopartículas de carbono Vulcan na solução de PTFE (PU1:1_0,20). Esse sistema apresentou bons resultados quanto à hidrofobicidade, apresentando ângulo de contato (105°-126°) e de resistividade (da ordem de 10-5 Ω.m). Além disso, as GDLs obtidas com adição de carbono Vulcan na resina PU (1:1) obtiveram ótimos resultados de ângulo de contato (129°-138°) e resistividade (da ordem de 10-3-10-5 Ω.m), porém com baixa resistência mecânica e em todos os sistemas estudados pode-se verificar uma boa dispersão da fibras na resina PU através da análise por MEV. Os resultados em geral indicam que o material obtido tem potencial aplicação em células do tipo PEMFC. / Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are promising devices for energy conversion for portable and stationary applications. Their performance is strongly influenced by the characteristics of their gas diffusion layer (GDL) such as morphology, electrical conductivity, porosity, chemical stability and mechanical strength. The GDL must also show a balance between hydrophobicity and hydrophilicity to ensure that the fuel cell system operates without obstruction of gas flow but maintaining adequate moisture content. In this work, a simple process was developed to produce GDL for PEMFC, seeking to obtain an alternative material whilst helping reducing the overall cost. The GDLs were produced by dispersing short carbon fibers in a polyurethane (PU) resin, followed by hot pressing/curing and dip-coating in a suspension of carbon nanoparticles in PTFE solution. After the curing process, the GDL’s were treated in a suspension containing carbon nanoparticles in a solution of PTFE, used for dip-coating process. The influence of PU/carbon fiber ratio and the content of Vulcan carbon powder added to the PU resin were studied. The influence of the content of Vulcan carbon powder added to the PTFE solution for the GDL’s post-treatment was also addressed. The GDL’s obtained were characterized regarding morphological (by SEM), electrical conductivity, thermal analysis, contact angle and tensile test. The following parameters were studied: the PU amount in the carbon fiber, and the content of Vulcan carbon powder in the PTFE solution and in the PU resin, focusing on the final homogeneity and electrical conductivity of the system. The results showed that the most suitable PU resin:carbon fiber ratio was 1:1, which showed the lowest resistivity (2.68 × 10-5 Ω.m). When this sample was post-treated with PTFE using different amounts of Vulcan carbon powder and immersion times, the best result was obtained for the sample with 0.20 g of carbon Vulcan nanoparticles in the solution of PTFE (PU1:1_0,20). This system showed good hydrophobicity results, contact angle (105°-126°), and resistivity in the order of 10-5 Ω.m. Besides, the GDL obtained by adding carbon Vulcan in the PU resin (1:1) showed excellent results for contact angle (129°-138°) and resistivity (~10-4 Ω.m), even though the mechanical strength was low and all the studied systems showed good fiber dispersion in PU resin as verified by SEM analysis. In general, the results indicate that the obtained material has potential use in PEMFC.

CSZ. Os pós cerâmicos foram caracterizados por picnometria a hélio, difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura, microscopia eletrônica de transmissão, termogravimetria, calorimetria diferencial exploratória, granulometria por espalhamento de laser e adsorção gasosa (BET). Por sua vez, a avaliação dos compactos sinterizados foi feita por técnicas de medidas de densidade, difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura, microscopia óptica, impressão Vickers e espectroscopia de impedância. A partir dos resultados obtidos, concluiu-se que a adição de alumina em zircônia estabilizada com 9 mol% de ítria na fase cúbica promove, nos pós cerâmicos, elevação da área superficial específica, desaglomeração e redução da cristalinidade dos óxidos, exigindo tratamentos térmicos mais energéticos para atingir elevada densidade. Em relação aos produtos sinterizados, verificou-se que a rota adotada confere homogeneidade microestrutural ao compósito, e que a adição de alumina restringe o crescimento dos grãos, eleva a dureza e tenacidade à fratura e contribui para o aumento da condutividade iônica total, apesar do decréscimo na condutividade dos grãos. Estes resultados mostraram que, para aplicação como eletrólito sólido, a adição de até 5 % de alumina, em massa, na matriz de zircônia estabilizada na fase cúbica eleva consideravelmente a tenacidade à fratura e a condutividade iônica do compósito, se comparada às cerâmicas de zircônia estabilizada com ítria na fase cúbica. / The global warmness and the necessity to obtain clean energy from alternative methods than petroleum raises the importance of developing cleaner and more efficient systems of energy generation, among then, the solid oxide fuel cell (SOFC). Cubic stabilized zirconia (CSZ) has been the most studied material as electrolyte in SOFC, due to its ionic conductivity and great stability at operation conditions. However, its low fracture toughness difficults its application as a thin layer, what could lead to an improvement of cell efficiency. In this sense, the alumina addition in CSZ forms a composite, which can shift its mechanical properties, without compromising its electrical properties. In this work, coprecipitation synthesis route and ceramic processing of zirconia-alumina composites were studied, in order to establish optimum conditions to attain high density, homogeneous microstructure, and better mechanical properties than CSZ, without compromising ionic conductivity. For this purpose, composites containing up to 40 wt % of alumina, in a 9 mol % yttria-stabilized zirconia (9Y-CSZ) matrix were evaluated. In order to optimize the synthesis of the composites, a preliminary study of powder obtaining and processing were carried out, at compositions containing 20 wt % of alumina, in 9Y-CSZ. The ceramic powders were characterized by helium picnometry, X-ray diffraction, scanning electronic microscopy, transmission electronic microscopy, thermogravimetry, differential scanning calorimetry, granulometry by laser diffraction and gas adsorption (BET). The characterization of sinterized compacts were performed by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, optical microscopy, density measurements, Vickers indentation and impedance spectroscopy. The obtained results show that the alumina adition, in the 9Y-CSZ matrix powders, raises the specific surface area,promotes deagglomeration of powders and elevates the oxides crystallization temperature, requiring higher energetic thermal treatments to attain high densities. In relation to the sintered products, it was confirmed the excellent homogeneity and crystallinity of microstructure provided by the chosen route, the restriction of grain growth by alumina addition, raise of hardness and fracture toughness, and higher ionic conductivity, even tough a lower bulk conductivity. These results indicate that the addition of 5 wt % alumina in CSZ matrix allows the application of this material as solid oxide fuel cell electrolytes, due to its better fracture toughness and ionic conductivity, compared to yttria-stabilized cubic zirconia ceramics.

O processo de sinterização de pastilhas de UO2-Gd2O3 tem sido investigado devido à sua importância na indústria nuclear e ao comportamento complexo durante a sinterização. A sinterização é bloqueada a partir de 1300°C, quando a densificação é deslocada na direção de maiores temperaturas e a densidade final obtida é diminuída. Esta pesquisa contempla o desenvolvimento de combustíveis nucleares para reatores de potência visando aumentar a sua eficiência no núcleo do reator através da elevação da taxa de queima. Foi estudado o uso do Gd2O3 de tamanho nanométrico, na faixa de 10 a 30nm, o qual foi adicionado ao UO2, visando verificar a possibilidade de evitar-se o característico bloqueio da sinterização devido ao efeito Kirkendall observado em pesquisas anteriores. As amostras foram produzidas por meio da mistura mecânica a seco dos pós de UO2 e de 7% Gd2O3 (macroestruturado e nanométrico). Os pós foram compactados e as pastilhas foram sinterizadas a 1700°C sob atmosfera de H2. Os resultados indicam que o característico bloqueio da sinterização no sistema UO2-Gd2O3 macroestruturado, que ocorre na faixa de temperatura de 1300-1500°C, retardando a densificação, foi observado de forma menos intensa quando o Gd2O3 nanométrico foi utilizado, ocorrendo à temperatura de 900°C, e facilitando a densificação posterior. Os ensaios dilatométricos indicaram uma retração de 22, 18 e 20% respectivamente nas pastilhas de UO2, UO2-7%Gd2O3 macro e UO2-7% Gd2O3nanométrico. Foi verificada uma retração 2% maior quando o Gd2O3 nanométrico foi utilizado quando comparada com a obtida com o uso do Gd2O3 macro, usado comercialmente, resultando em pastilhas com densidade adequada para uso como combustível nuclear. / The sintering process of UO2-Gd2O3 pellets has been investigated in this work for its importance in the nuclear industry and for its complex behavior during sintering. Sintering blockage occurs from 1300ºC upwards, when densification is shifted toward higher temperatures and the final density obtained is decreased. This research includes the development of nuclear fuel for power reactors in order to increase its efficiency inside the reactor core by raising the burnup. The use of nanosized Gd2O3 was studied in the range from 10 to 30nm, which was added to UO2, trying to verify the occurrence of characteristic sintering blockage due to Kirkendall sintering effect observed in previous research. The samples were produced by dry mechanical mixture of UO2 powder and 7% Gd2O3 (macro- and nanostructured). The powders were compacted and the pellets were sintered at 1700ºC under H2 atmosphere. These results indicate that the characteristic blockage during sintering in macrostructured system UO2-Gd2O3 occurred in the temperature range of 1300-1500ºC, which slows down the densification. It was observed a less intense effect when using the nanostructured Gd2O3; it took place at the temperature of 900ºC, then facilitating to get an additional densification. The dilatometric tests indicated shrinkage of 22, 18 and 20% respectively in UO2 pellets, macrostructured UO2-7% Gd2O3 and nanostructured UO2-7%Gd2O3. We detected 2% higher shrinkage, when nanostructured Gd2O3 was used instead of macrostructured Gd2O3, which is used commercially. Then, the nanostructured results showed more adequate density for nuclear fuel usage.

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

Estágio realizado na Bosch Termotecnologia, S. A. e orientado pelo Eng.º Víctor Manuel Coutinho Tavares de Pinho / Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Automação). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado. Fundamentos e Aplicações da Mecânica dos Fluidos. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de doutoramento. Engenharia Química e Biológica. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011