Hydrothermal Stability Analysis of Carbonised Template Molecular Sieve Silica Membranes

For fuel cell CO clean up application, the presence of water with silica membranes greatly reduces their selectivity to CO. We show results of a new functional carbonised template membrane of around 13nm thickness which offered hydrothermal stability with no compromise to the membrane’s H2/CO permselectivity of 16. Lost permeance was also regenerated.

Activity of platinum-tin catalysts prepared by the Pechini-Adams method for the electrooxidation of ethanol

Pt-Sn electrocatalysts of different compositions were prepared and dispersed on carbon Vulcan XC-72 using the Pechini-Adams method. The catalysts were characterized by energy dispersive X-ray analysis and X-ray diffraction. The electrochemical properties of these electrode materials were also examined by cyclic voltammetry and chronoamperometric experiments in acid medium. The results showed that the presence of Sn greatly enhances the activity of Pt towards the electrooxidation of ethanol. Moreover, it contributes to reduce the amount of noble metal in the anode of direct alcohol fuel cells, which remains one of the challenges to make the technology of direct alcohol fuel cells possible. Electrolysis of ethanol solutions at 0.55 V vs. RHE allowed to determine by liquid chromatography acetaldehyde and acetic acid as the main reaction products. CO(2) was also analyzed after trapping it in a NaOH solution indicating that the cleavage of the C-C bond in the ethanol molecule did occur during the adsorption process. In situ IR reflectance spectroscopy helped to investigate in more details the reaction mechanism through the identification of the reaction products as well as the presence of some intermediate adsorbed species, such as linearly bonded carbon monoxide. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Effect of Ni on Pt/C and PtSn/C prepared by the Pechini method

Different compositions of Pt, PtNi, PtSn, and PtSnNi electrocatalysts supported on carbon Vulcan XC-72 were prepared through thermal decomposition of polymeric precursors. The nanoparticles were characterized by morphological and structural analyses (XRD, TEM, and EDX). XRD results revealed a face-centered cubic structure for platinum, and there was evidence that Ni and Sn atoms are incorporated into the Pt structure. The electrochemical investigation was carried out in slightly acidic medium (H(2)SO(4) 0.05 mol L(-1)), in the absence and in the presence of ethanol. Addition of Ni to Pt/C and PtSn/C catalysts significantly shifted the onset of ethanol and CO oxidations toward lower potentials, thus enhancing the catalytic activity, especially in the case of the ternary PtSnNi/C composition. Electrolysis of ethanol solutions at 0.4 V us. RHE allowed for determination of acetaldehyde and acetic acid as the reaction products, as detected by HPLC analysis. Due to the high concentration of ethanol employed in the electrolysis experiments (1.0 mol L(-1)), no formation of CO(2) was observed. Copyright (C) 2010, Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. 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.

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.

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.

Chondrogenic differentiation within magnetic-responsive multilayered liquified capsules containing collagen II/TFG-β3 coated microparticles

The use of stem cells is a promising therapeutic approach for the substantial challenge to regenerate cartilage. Considering the two prerequisites, namely the use of a 3D system to enable the chondrogenic differentiation and growth factors to avoid dedifferentiation, the diffusion efficiency of essential biomolecules is an intrinsic issue. We already proposed a liquified bioencapsulation system containing solid microparticles as cell adhesion sites1. Here, we intend to use the optimized system towards chondrogenic differentiation by encapsulating stem cells and collagenII-TGF-β3 PLLA microparticles. As a proof-of-concept, magnetite-nanoparticles were incorporated into the multilayered membrane. This can be a great advantage after implantation procedures to fixate the capsules in situ with the held of an external magnetic patch and for the follow-up through imaging. Results showed that the production of glycosaminoglycans and the expression of cartilage-relevant markers (collagen II, Sox9, aggrecan, and COMP) increased up to 28 days, while hypertrophic (collagen X) and fibrotic (collagen I) markers were downregulated. The presence of nanofibers in the newly deposited ECM was visualized by SEM, which resembles the collagen fibrils of native cartilage. The presence of the major constituent of cartilage, collagen II, was detected by immunocytochemistry and afranin-O and alcian blue stainings revealed a basophilic ECM deposition, which is characteristic of neocartilage. These findings suggest that the proposed system may provide a suitable environment for chondrogenic differentiation.

Strukturierte Modellierung und nichtlineare Analyse von PEM-Brennstoffzellen

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