Anodes for protonic ceramic fuel cells (PCFCs)

One of the more promising possibilities for future “green” electrical energy generation is the protonic ceramic fuel cell (PCFC). PCFCs offer a low-pollution technology to generate electricity electrochemically with high efficiency. Reducing the operating temperature of solid oxide fuel cells (SOFCs) to the 500-700°C range is desirable to reduce fabrication costs and improve overall longevity. This aim can be achieved by using protonic ceramic fuel cells (PCFCs) due to their higher electrolyte conductivity at these temperatures than traditional ceramic oxide-ion conducting membranes. This thesis deals with the state of the art Ni-BaZr0.85Y0.15O3-δ cermet anodes for PCFCs. The study of PCFCs is in its initial stage and currently only a few methods have been developed to prepare suitable anodes via solid state mechanical mixing of the relevant oxides or by combustion routes using nitrate precursors. This thesis aims to highlight the disadvantages of these traditional methods of anode preparation and to, instead, offer a novel, efficient and low cost nitrate free combustion route to prepare Ni-BaZr0.85Y0.15O3-δ cermet anodes for PCFCs. A wide range of techniques mainly X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), environmental scanning electron microscopy, (ESEM) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were employed in the cermet anode study. The work also offers a fundamental examination of the effect of porosity, redox cycling behaviour, involvement of proton conducting oxide phase in PCFC cermet anodes and finally progresses to study the electrochemical performance of a state of the art anode supported PCFC. The polarisation behaviour of anodes has been assessed as a function of temperature (T), water vapour (pH2O), hydrogen partial pressures (pH2) and phase purity for electrodes of comparable microstructure. The impedance spectra generally show two arcs at high frequency R2 and low frequency R3 at 600 °C, which correspond to the electrode polarisation resistance. Work shows that the R2 and R3 terms correspond to proton transport and dissociative H2 adsorption on electrode surface, respectively. The polarization resistance of the cermet anode (Rp) was shown to be significantly affected by porosity, with the PCFC cermet anode with the lowest porosity exhibiting the lowest Rp under standard operating conditions. This result highlights that porogens are not required for peak performance in PCFC anodes, a result contrary to that of their oxide-ion conducting anode counterparts. In-situ redox cycling studies demonstrate that polarisation behaviour was drastically impaired by redox cycling. In-situ measurements using an environmental scanning electron microscopy (ESEM) reveal that degradation proceeds due to volume expansion of the Ni-phase during the re-oxidation stage of redox cycling.The anode supported thin BCZY44 based protonic ceramic fuel cell, formed using a peak performing Ni-BaZr0.85Y0.15O3-δ cermet anode with no porogen, shows promising results in fuel cell testing conditions at intermediate temperatures with good durability and an overall performance that exceeds current literature data.

Extension of electrochemically active sites in SOFCs and SOECs

Solid oxide fuel (SOFCs) and electrolyzer (SOECs) cells have been promoted as promising technologies for the stabilization of fuel supply and usage in future green energy systems. SOFCs are devices that produce electricity by the oxidation of hydrogen or hydrocarbon fuels with high efficiency. Conversely, SOECs can offer the reverse reaction, where synthetic fuels can be generated by the input of renewable electricity. Due to this similar but inverse nature of SOFCs and SOECs, these devices have traditionally been constructed from comparable materials. Nonetheless, several limitations have hindered the entry of SOFCs and SOECs into the marketplace. One of the most debilitating is associated with chemical interreactions between cell components that can lead to poor longevities at high working temperatures and/or depleted electrochemcial performance. Normally such interreactions are countered by the introduction of thin, purely ionic conducting, buffer layers between the electrode and electrolyte interface. The objective of this thesis is to assess if possible improvements in electrode kinetics can also be obtained by modifying the transport properties of these buffer layers by the introduction of multivalent cations. The introduction of minor electronic conductivity in the surface of the electrolyte material has previously been shown to radically enhance the electrochemically active area for oxygen exchange, reducing polarization resistance losses. Hence, the current thesis aims to extend this knowledge to tailor a bi-functional buffer layer that can prevent chemical interreaction while also enhancing electrode kinetics.The thesis selects a typical scenario of an yttria stabilized zirconia electrolyte combined with a lanthanide containing oxygen electrode. Gadolinium, terbium and praseodymium doped cerium oxide materials have been investigated as potential buffer layers. The mixed ionic electronic conducting (MIEC) properties of the doped-cerium materials have been analyzed and collated. A detailed analysis is further presented of the impact of the buffer layers on the kinetics of the oxygen electrode in SOFC and SOEC devices. Special focus is made to assess for potential links between the transport properties of the buffer layer and subsequent electrode performance. The work also evaluates the electrochemical performance of different K2NiF4 structure cathodes deposited onto a peak performing Pr doped-cerium buffer layer, the influence of buffer layer thickness and the Pr content of the ceria buffer layer. It is shown that dramatic increases in electrode performance can be obtained by the introduction of MIEC buffer layers, where the best performances are shown to be offered by buffer layers of highest ambipolar conductivity. These buffer layers are also shown to continue to offer the bifunctional role to protect from unwanted chemical interactions at the electrode/electrolyte interface.

Manutenção preventiva ou manutenção corretiva em linhas aéreas de média tensão? Utilização do data envelopment analysis como auxiliar de gestão dos ativos técnicos de manutenção

O uso de Data Envelopment Analysis (DEA) no setor de distribuição de energia elétrica tem dado origem à publicação de vários artigos científicos. No geral, estes artigos focam-se na comparação da eficiência das empresas de distribuição de eletricidade. Na generalidade dos artigos, o tratamento da informação tem sido predominantemente descritivo e classificatório, sem focar no processo de transformação. Em contraste, o trabalho que se apresenta aqui pretende mostrar as potencialidades do DEA na análise de variáveis do processo de transformação e procura explorar o seu potencial para a identificação dos programas e intervenções que contribuem para a melhoria efetiva no processo de distribuição de eletricidade. É nossa convicção que as avaliações de natureza formativa, com fins de aprendizagem, são mais eficazes do que os estudos sumativos porque contribuem para uma melhor compreensão das estruturas e processos, sendo portanto mais adequadas para contribuir para a melhoria do desempenho. Neste trabalho, apresenta-se uma questão importante no contexto da análise DEA: a de investigar, se as diferenças de eficiência são devidas a um programa específico de gestão ou às características de conceção. Para o efeito, o estudo recorre a dois métodos diferentes para realizar este tipo de análise. Em primeiro lugar, aplicamos a estatística de rank de Mann-Whitney aos scores do DEA, a fim de avaliar a significância estatística das diferenças observadas entre um programa de tratamento e o programa de controlo. Em segundo lugar, procedemos a uma análise dinâmica com o Índice de Produtividade de Malmquist, a fim de estudar o impacto da introdução de uma nova tecnologia num grupo de unidades. O estudo de caso desenvolvido centra-se na avaliação do desempenho de linhas de média tensão afetas a uma das regiões de serviço de uma empresa de distribuição de energia elétrica, regulada pelo Sistema Público de Distribuição de Energia em Portugal (ERSE). Os resultados do estudo de caso mostram que a aplicação do DEA tem um grande potencial para contribuir para a melhoria dos processos e deve ser explorado noutros contextos.

Montagem de um sistema laboratorial de células de combustível microbianas para aproveitamento energético e tratamento de efluentes doméstico

O presente trabalho objetiva a montagem em escala laboratorial de um grupo de 6 protótipos de Células de Combustível Microbianas (CCM) de Câmara Simples pretendendo constituir um contributo de desenvolvimento de processos anaeróbios para tratamento de águas residuais em Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETARs) e produção simultânea de energia elétrica. Em fase preliminar procede-se à montagem de um sistema laboratorial composto por 3 conjuntos de protótipos em duplicados com 3 granulometrias de carvão ativado granular (GAC). Os princípios que fundamentam a seleção do protótipo tipo são uma câmara anódica tubular totalmente preenchida com GAC para facilitar a fixação de biofilmes e a diminuição do espaçamento entre elétrodos com a interposição de um separador para reduzir a resistência interna. A experiência laboratorial inicia-se com uma fase de aclimatação com Água residual artificial e sequencialmente com água residual recolhida na ETAR Faro-Noroeste. Na etapa final a carga orgânica da água residual é incrementada com adição de Acetato de sódio. Os ensaios decorrem em modo de fluxo contínuo. São testados e comparados três tempos de contacto do afluente com o GAC (3, 10 e 30 horas), a combinação destes com dois separadores designados por Daramic HP 200 e GF/A e sem qualquer separador. Finalmente é efetuado um teste incrementando 6 a 8 vezes a carga orgânica do afluente. O desempenho é aferido através do traçado de curvas de polarização, curvas de potência e da percentagem de remoção da Carência Química de Oxigénio (CQO). Conclui que em alguns testes as eficiências de remoção de CQO são adequadas à legislação em vigor, que o aumento e tipo de carga orgânica do afluente e a operação sem separadores incrementam a diferença de potencial e reduzem a resistência interna e que as granulometrias do GAC testadas tiveram pouco efeito na avaliação dos parâmetros considerados.

Relatório de atividade profissional

Dissertação de Mesterado, Engenharia Elétrica e Eletrònica, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2015

Gestão otimizada de cargas em microgrids

Dissertação de Mestrado, Engenharia Elétrica e Eletrónica, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2015

Relé diferencial numérico para proteção de transformadores

Dissertação de Mestrado, Engenharia Elétrica e Eletrónica, Especialização em Sistemas de Energia e Controlo, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

A implementação da norma NP EN ISO 50001:2012 em instituições da administração pública portuguesa: caso de estudo

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015

Estudo da implementação de medidas de eficência energética num hotel

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016

A Ergonomia no Projeto, Licenciamento e Avaliação de Salas de Controle de Reatores Nucleares: A Avaliação da Sala de Controle da Usina Nuclear Angra II

Uma sala de controle de reatores nucleares é um sistema complexo que controla um processo termodinâmico usado para produzir energia elétrica. Os operadores interagem com a sala de controle através de "interfaces", que apresentam implicações significantes para a segurança da planta nuclear, pois afetam o modo como os operadores interagem com a sala de controle. Após o acidente de TMI, os projetistas procuram adotar no projeto de salas de controle de reatores nucleares práticas de projeto, que contemplam somente a inclusão de normas internacionais de fatores humanos. A proposta deste trabalho é a de incluir no projeto e modernização de novas salas de controle e na avaliação da sala de controle de ANGRA II, uma metodologia que inclua além da normatização internacional de fatores humanos, a realidade da atividade dos operadores em sala de controle

Materiais de mudança de fase em revestimentos

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de especialização em Edificações

Gestão do deslastre de cargas: Évora como caso de estudo

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica na Área de Especialização de Energia

Agentes comerciais: modelos de avaliação de risco e rentabilidade

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica na Área de Especialização de Energia

Análise probabilística de segurança de barragens gravidade de betão

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Estruturas

Avaliação do desempenho energético e da qualidade do ar de uma piscina coberta

Este trabalho teve como propósito fazer uma avaliação do desempenho energético e da qualidade do ar no interior das instalações de uma Piscina Municipal Coberta, localizada na zona norte de Portugal, sendo estabelecidos os seguintes objetivos: caracterização geral da piscina, no que respeita aos seus diferentes espaços e equipamentos, cálculo dos consumos térmicos e elétricos bem como o registo das concentrações de elementos poluentes para controlo da qualidade do ar no interior da piscina, tendo como base a legislação atualmente em vigor. A caracterização geral da piscina permitiu verificar algumas inconformidades como a temperatura da água nos tanques de natação que tem valores superiores aos recomendados e a sala de primeiros socorros que não possui acesso direto ao exterior. Acrescente-se que o pavimento nos chuveiros da casa de banho feminina e os valores de pH para água do tanque grande e pequeno não estão sempre dentro da gama de recomendação. O caudal da renovação de ar está a ser operado manualmente e quando está a funcionar a 50% da sua capacidade máxima, que acontece numa parte do dia, apenas consegue renovar 77,5% do caudal recomendado pelo RSECE. Para se obter o valor recomendado é necessário ter pelo menos 7 horas com o caudal a 100% da capacidade máxima. A avaria na UTA2 originou que 40% dos registos diários da humidade relativa interior estivessem fora da gama de valores recomendados e que esta é fortemente dependente da humidade no exterior e pode ser agravada quando as portas dos envidraçados da nave são abertas. Analisando ainda a quantidade de água removida na desumidificação do ar com a água evaporada em condições de Outono-Inverno ou Primavera-Verão, este estudo permitiu concluir que todas as combinações demonstraram a necessidade de desumidificação salvo a combinação Outono-Inverno e UTA2 a funcionar a 100% da sua capacidade máxima. Os isolamentos das tubagens na sala das caldeiras foram observados e comparados com as soluções recomendadas pelas empresas especialistas e verificou-se que alguns estão mal colocados com parcial ou total degradação, promovendo perdas térmicas. No caso das perdas calorificas por evaporação, estas representaram cerca de 67,78% das perdas totais. Como tal, estudou-se a aplicação de uma cobertura sobre o plano de água durante o período de inatividade da piscina (8 horas) e verificou-se que o resultado seria uma poupança de 654,8 kWh/dia, na ausência de evaporação da água, mais 88,00 kWh/dia do período da UTA2 a funcionar a 50% da sua capacidade, perfazendo um total de 742,8 kWh/dia. A aplicação da cobertura permite obter um VAL de valor positivo, uma TIR de 22,77% e sendo este valor superior ao WACC (Weight Average Cost of Capital), o projeto torna-se viável com um Pay-Back de 3,17 anos. Caracterizou-se também o consumo total diário em eletricidade, e verificou-se que as unidades de climatização, as bombas de circulação de água, a iluminação, e outros equipamentos representam, respetivamente, cerca de 67,81, 25,26, 2,68 e 3,91% da energia elétrica total consumida. Por fim, a análise à qualidade do ar no interior da nave em Maio e Setembro identificou que as concentrações de ozono apresentavam valores no limite do aceitável em Maio e superiores ao valor de emissão em Setembro. Os compostos orgânicos voláteis também apresentavam valores em Maio 4,98 vezes superior e em Setembro 6,87 vezes superior aos valores máximos exigidos pelo D.L. nº 79/2006. Houve ainda altas concentrações de radão registadas na casa dos filtros, em Maio com um valor 11,49 vezes superior, no entanto esse valor desceu em Setembro para 1,08 vezes, mesmo assim superior ao exigido pelo D.L. nº 79/2006.