Characterization and voltammetric behavior of Pt(y)Mo(z)O(x)/C electrodes prepared by the thermal decomposition of polymeric precursors

Carbon-supported catalysts containing platinum and molybdenum oxide are prepared by thermal decomposition of polymeric precursors. The Pt(y)Mo(z)O(x)/C materials are characterized by energy dispersive X-ray spectroscopy, transmission electron microscopy, and X-ray diffraction. The catalysts present a well-controlled stoichiometry and nanometric particles. Molybdenum is present mainly as the MoO(3) orthorhombic structure, and no Pt alloys are detected. The voltammetric behavior of the electrodes is investigated; a correlation with literature results for PtMo/C catalysts prepared by other methods is established. The formation of soluble species and the aging effect are discussed. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Pt/TiO(2)/poly(vinyl sulfonic acid) Layer-by-Layer Films for Methanol Electrocatalytic Oxidation

One major challenge for the widespread application of direct methanol fuel cells (DMFCs) is to decrease the amount of platinum used in the electrodes, which has motivated a search for novel electrodes containing platinum nanoparticles. In this study, platinum nanoparticles were electrodeposited on layer-by-layer (LbL) films from TiO(2) and poly(vinyl sulfonic) (PVS), by immersing the films into a H(2)PtCl(6) solution and applying a 100 mu A current during different electrode position times. Scanning tunnel microscopy (STM) and atomic force microscopy (AFM) images showed increased platinum particle size and electrode roughness for increasing electrodeposition times. The potentiodynamic profile of the electrodes indicated that oxygen-like species in 0.5 mol L(-1) H(2)SO(4) were formed at less positive potentials for the smallest platinum particles. Electrochemical impedance spectroscopy measurements confirmed the high reactivity for the water dissociation and the large amount of oxygen-like species adsorbed on the smallest platinum nanoparticles. This high oxophilicity of the smallest nanoparticles was responsible for the electrocatalytic activity of Pt-TiO(2)/PVS systems for methanol electrooxidation, according to the Langmuir-Hinshelwood bifunctional mechanism. Significantly, the approach used here combining platinum electrodeposition and LbL matrices allows one to both control the particle size and optimize methanol electrooxidation, being therefore promising for producing membrane-electrode assemblies of DMFCs.

Investigation of electrical conductivity as a function of dopant-ion radius in the systems Zr0.75Ce0.08M0.17O1.92 (M=Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Y, Er, Yb, Sc)

Electrical conductivity versus dopant ionic radius studies in zirconia- and ceria-based, solid oxide fuel cell (SOFC) electrolyte systems have shown that oxygen-ion conductivity is highest when the host and dopant ions are similar in size [J. Am. Ceram. Soc. 48 (1965) 286; Solid State Ionics 37 (1989) 67; Solid State Ionics 5 (1981) 547]. Under these conditions, it is thought that the conduction paths within the crystal lattice become less distorted [Solid State Ionics 8 (1983) 201]. In this study, binary ZrO2-M2O3 unit cells were expanded, via the partial substitution of Ce+4 for Zr+4 into the lattice, in an attempt to identify new, ternary, zirconia/ceria-based electrolyte systems with enhanced electrical conductivity. The compositions Zr0.75Ce0.08M0.17O1.92 (M = Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Y, Yb, Sc) were prepared using traditional solid state techniques. Bulk phase characterisation and precise lattice parameter measurements were performed with X-ray diffraction techniques. Four-probe DC conductivity measurements between 400 and 900 degreesC showed that the dopant-ion radius influenced electrical conductivity. The conductivity versus dopant-ion radius trends previously observed in zirconia-based, binary systems are clearly apparent in the ternary systems investigated in this study. The addition of ceria was found to have a negative influence on the electrical conductivity over the temperature range 400-900 degreesC. It is suggested that distortion of the oxygen-ion conduction path by the presence of the larger M+3 and Ce+4 species (relative to Zr+4) is the reason for the decreasing electrical conductivity as a function of increasing dopant size and ceria addition, respectively. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Oxide ionic conductivity and microstructures of Sm- or La-doped CeO2-based systems

The concept of crystallographic index termed the effective index is suggested and applied to the design of ceria (CeO2)-based electrolytes to maximize oxide ionic conductivity. The suggested index considers the fluorite structure, and combines the expected oxygen vacancy level with the ionic radius mismatch between host and dopant cations. Using this approach, oxide ionic conductivity of Sm- or La-doped CeO2-based system has been optimized and tested under operating conditions of a solid oxide fuel cell. In the observation of microstructure in atomic scale, both Sm-doped CeO2 and La-doped CeO2 electrolytes had large micro-domains over 10 nm in the lattice. On the other hand, Sm or La and alkaline earth co-doped CeO2-based electrolytes with high effective index had small micro-domains around 1-3 nm in the microstructure. The large micro-domain would prevent oxide ion from passing through the lattice. Therefore, it is concluded that the improvement of ionic conductivity is reflected in changes of microstructure in atomic scale. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

An investigation of the thermal and tensile properties of PFA following γ-radiolysis

For some applications for fluoropolymers they must be subjected to high-energy radiation, e.g., when they are grafted with styrene using an irradiation method to produce fuel cell membranes or matrix supports for combinatorial chemistry. In some of these applications they may be subjected to mechanical stress or elevated temperature, so it is important to elucidate the effects of the radiolysis on these properties. In the present work the effect of gamma-radiolysis on the glass transition, melting behavior, and thermal stability of PFA has been studied as well as the effect of the radiolysis on the tensile properties of the polymer.

Optimal scheduling of a renewable micro-grid in an isolated load area using mixed-integer linear programming

In the energy management of the isolated operation of small power system, the economic scheduling of the generation units is a crucial problem. Applying right timing can maximize the performance of the supply. The optimal operation of a wind turbine, a solar unit, a fuel cell and a storage battery is searched by a mixed-integer linear programming implemented in General Algebraic Modeling Systems (GAMS). A Virtual Power Producer (VPP) can optimal operate the generation units, assured the good functioning of equipment, including the maintenance, operation cost and the generation measurement and control. A central control at system allows a VPP to manage the optimal generation and their load control. The application of methodology to a real case study in Budapest Tech, demonstrates the effectiveness of this method to solve the optimal isolated dispatch of the DC micro-grid renewable energy park. The problem has been converged in 0.09 s and 30 iterations.

Estudo e otimização de uma pilha de combustível de pequena potência (10W) e sua integração em equipamento portátil

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Modelação de células de combustível

Neste trabalho serão apresentados e discutidos vários aspectos relacionados com células de combustível, com particular enfoque na modelação de células de combustível de membrana de permuta protónica. Este trabalho está dividido em vários capítulos. No Capítunlo 1 são apresentadas as motivações e os objectivos da tese. No Capítulo 2 serão apresentadas as células de combustível em geral, a sua origem, os diversos tipos, o que as diferencia das restantes tecnologias de geração de energia e as suas vantagens e desvantagens. No Capítulo 3 discute-se a modelação de células de combustível. Serão expostos e explicados os diferentes tipos de modelos, seguindo-se uma apresentação do modelo selecionado para estudo, com referência aos fundamentos teóricos exposição detalhada da fórmulação matemática e os parâmetros que caracterizam o modelo. É também apresentado a implementação do modelo em Matlab/Simulink. No Capítulo 4 será discutida e apresentada a abordagem utilizada para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combustível. Propõe-se e prova-se que uma abordagem baseada num algoritmo de optimização inteligente proporciona um método eficaz e preciso para a identificação dos parâmetros. Esta abordagem requer a existência de alguns dados experimentais que são também apresentados. O algoritmo utilizado designa-se por Optimização por Enxame de Partículas – Particle Swarm Optimization (PSO). São apresentados os seus fundamentos, características, implementação em Matlab/Simulink e a estratégia de optimização, isto é, a configuração do algoritmo, a definição da função objectivo e limites de variação dos parâmetros. São apresentados os resultados do processo de optimização, resultados adicionais de validação do modelo, uma análise de robustez do conjunto óptimo de parâmetros e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O trabalho termina apresentando, no último capítulo, algumas conclusões, das quais se destacam: - O bom desempenho do algoritmo PSO para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combsutível; - Uma robustez interessante do algoritmo PSO, no sentido em que, para várias execuções do método resultam valores do parâmetros e da função objectivo com variabilidade bastante reduzidas; - Um bom modelo da célula de combustível, que quando caracterizado pelo conjunto óptimo de parâmetros, apresenta, sistematicamente, erros relativos médios inferiores a 2,5% para um conjunto alargado de condições de funcionamento.

Análise técnica e económico-financeira de um sistema de abastecimento de veículos zero emissões integrando um sistema fotovoltaico

Com o aumento da população mundial registado nos últimos anos surgiu também uma maior procura energética. Esse aumento foi inicialmente colmatado recorrendo essencialmente a fontes de origem fóssil, pelo facto destas serem mais baratas. No entanto, essa tendência de preços baixos sofreu o primeiro abalo nos anos 70 do século passado, altura em que o preço do petróleo disparou, devido a questões políticas. Nessa altura ficou visível para os países ocidentais o quanto estes eram dependentes dos países produtores de petróleo que, em geral, são instáveis politicamente. Começou então a procura de fontes energéticas alternativas. Além da questão económica do aumento do preço dos combustíveis, existe também o problema ambiental. Os maiores responsáveis pela emissão de gases efeito estufa (GEE) são os combustíveis fósseis. Os GEE contribuem para o aquecimento global, o que origina fenómenos ambientais severos que poderão levar a mudanças climáticas significativas. As energias renováveis apresentam-se como a solução mais viável ao problema energético e ambiental que se verifica actualmente, porque permitem colmatar o aumento da procura energética de uma forma limpa e sustentável. Na sequência destes problemas surgiram nos últimos anos veículos que permitem reduzir ou mesmo eliminar o consumo de combustíveis fósseis, como os veículos híbridos eléctricos, eléctricos e a hidrogénio. Nesta dissertação analisa-se um sistema que foi pensado para ser implementado em áreas de serviço, que permite efectuar o carregamento de electric vehicles (EV) utilizando energia eléctrica de origem fotovoltaica e a produção de hidrogénio para os fuels cell electric vehicles (FCEV). É efectuada uma análise económica do sistema, uma análise ambiental e analisou-se também o impacto na redução da dependência do país em relação ao exterior, sendo ainda efectuada uma pequena análise ao sistema MOBIE. No caso dos veículos a hidrogénio, foi determinada qual seria a melhor opção em termos económicos, para a produção de hidrogénio considerando três regimes de produção: recorrendo apenas à energia eléctrica proveniente do sistema fotovoltaico, apenas à energia eléctrica da rede, ou uma combinação dos dois regimes. O sistema estudado nesta dissertação apresenta um enorme potencial a nível energético e ambiental, surgindo como alternativa para abastecer os veículos que irão permitir, no futuro, eliminar a dependência energética em relação às fontes fósseis e ao mesmo tempo diminuir a quantidade de gases efeito estufa emitidos para a atmosfera.

A general overview on hybrid and electric vehicles

The economical and environment impacts of fossil energies increased the interest for hybrid, battery and fuel-cell electric vehicles. Several demanding engineering challenges must be faced, motivated by different physical domains integration. This paper aims to present an overview on hybrid (HEV) and electric vehicles (EV) basic structures and features. In addition, it will try to point out some of the most relevant challenges to overcome for HEV and EV may be a solid option for the mobility issue. New developments in energy storage devices and energy management systems (EMS) are crucial to achieve this goal.

Monitorização de sistema de baterias para veículos elétricos

Uma das maiores preocupações do mundo neste momento prende-se com o facto da grande dependência do petróleo e seus aglomerados. Esta dependência causa dois problemas: novos estudos fomentam o começo da escassez deste produto, atirando para cima o preço deste material precioso, e a poluição que que este causa. Um dos sectores mais dependentes e que mais polui, é o dos transportes. Nos últimos anos, o mundo teve finalmente noção deste problema e uma das apostas neste sector é o desenvolvimento da célula de combustível, uma tecnologia que utiliza água como combustível, podendo ser reutilizada. É uma tecnologia ainda em fase de introdução pelo que, para já, a médio prazo não será solução. Uma solução intermédia é a utilização de energia elétrica como ―combustível‖. Apesar de grande parte da produção de energia elétrica ser a partir da queima de derivados de petróleo, os motores elétricos são por si só muito mais eficientes comparando com os motores de combustão. Não se vai aqui debater se são uma solução com viabilidade devido à questão da transferência da dependência do petróleo do sector dos transportes para o sector da produção de energia elétrica. O objetivo deste trabalho será desenvolver um sistema de faça a gestão do ―combustível‖ dos veículos elétricos, ou seja, baterias. Essa gestão tem como objetivo aumentar a autonomia do veículo e prolongar o tempo de vida das baterias. Na primeira fase, uma introdução à atualidade dos veículos elétricos, fazendo uma análise às diferentes soluções. Serão referidas os diferentes tipos de baterias e suas características, passando depois para exemplos de sistemas de gestão de baterias. A explicação da ideia para este sistema vem com o capítulo projeto, ficando a implementação para o capítulo seguinte.

Conversão de um veículo de combustão em veículo elétrico

Trabalho final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica Ramo Manutenção e Produção

RuSe Electrocatalysts and Single Wall Carbon Nanohorns Supports for the Oxygen Reduction Reaction

Selenium modified ruthenium electrocatalysts supported on carbon black were synthesized using NaBH4 reduction of the metal precursor. Prepared Ru/C electrocatalysts showed high dispersion and very small averaged particle size. These Ru/C electrocatalysts were subsequently modified with Se following two procedures: (a) preformed Ru/carbon catalyst was mixed with SeO2 in xylene and reduced in H2 and (b) Ru metal precursor was mixed with SeO2 followed by reduction with NaBH4. The XRD patterns indicate that a pyrite-type structure was obtained at higher annealing temperatures, regardless of the Ru:Se molar ratio used in the preparation step. A pyrite-type structure also emerged in samples that were not calcined; however, in this case, the pyrite-type structure was only prominent for samples with higher Ru:Se ratios. The characterization of the RuSe/C electrocatalysts suggested that the Se in noncalcined samples was present mainly as an amorphous skin. Preliminary study of activity toward oxygen reduction reaction (ORR) using electrocatalysts with a Ru:Se ratio of 1:0.7 indicated that annealing after modification with Se had a detrimental effect on their activity. This result could be related to the increased particle size of crystalline RuSe2 in heat-treated samples. Higher activity of not annealed RuSe/C catalysts could also be a result of the structure containing amorphous Se skin on the Ru crystal. The electrode obtained using not calcined RuSe showed a very promising performance with a slightly lower activity and higher overpotential in comparison with a commercial Pt/C electrode. Single wall carbon nanohorns (SWNH) were considered for application as ORR electrocatalysts' supports. The characterization of SWNH was carried out regarding their tolerance toward strong catalyzed corrosion conditions. Tests indicated that SWNH have a three times higher electrochemical surface area (ESA) loss than carbon black or Pt commercial electrodes.

Competitive paths for methanol decomposition on ruthenium: a DFT study

Methanol decomposition is one of the key reactions in direct methanol fuel cell (DMFC) state-of-the-art technology, research, and development. However, its mechanism still presents many uncertainties, which, if answered, would permit us to refine the manufacture of DMFCs. The mechanism of methanol decomposition on ruthenium surfaces was investigated using density functional theory and a periodic supercell approach. The possible pathways, involving either initial C−H, C−O or O−H scission, were defined from experimental evidence regarding the methanol decomposition on ruthenium and other metallic surfaces. The study yielded the O−H scission pathway as having both the most favorable energetics and kinetics. The computational data, which present a remarkable closeness with the experimental results, also indicate methanol adsorption, the starting point in all possible pathways, to be of weak nature, implying a considerable rate of methanol desorption from the ruthenium, compromising the reaction.

Strukturierte Modellierung und nichtlineare Analyse von PEM-Brennstoffzellen

Fuel cell, PEM fuel cell, Network theory, Computer aided modelling, Nonlinear analysis