A necessidade de tecnologias de células de combustível foi identificada como essencial para atender aos desafios energéticos, ambientais e econômicos da Europa e da Ásia em aplicações de transporte e energia. As células de combustível de última geração de hoje, as células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs), já demonstraram maturidade tecnológica. No entanto, apesar de todos os esforços de pesquisa, os PEMFCs requerem metais preciosos caros e escassos como a platina, que são considerados matérias-primas críticas para a UE e os EUA. Os AEMFCs são uma tecnologia de célula de combustível emergente que promete substituir o PEMFC no futuro, pois permite o uso de materiais acessíveis e livres de metais preciosos para converter energia química em eletricidade verde. Além desta principal vantagem, os AEMFCs também permitem uma ampla escolha de combustíveis, por exemplo, H2, amônia, uréia e outros combustíveis à base de nitrogênio ecologicamente corretos. No entanto, o desenvolvimento de AEMFC é significativamente prejudicado pela decomposição da membrana de troca aniônica (AEM) durante a operação da célula. Para que os AEMFCs se tornem comercialmente disponíveis, uma nova abordagem deve ser usada para desenvolver a próxima geração de AEMs com estabilidade química significativamente maior.

As fontes de energia atualmente dependem principalmente de combustíveis fósseis, que têm efeitos ambientais negativos e, consequentemente, a utilização de fontes alternativas de energia torna-se ainda mais crucial. Neste contexto, os motores de combustão interna e outras tecnologias convencionais de conversão de energia estão a ser substituídos por células de combustível. As células de combustível geram energia por meio de reações eletroquímicas, o que as torna consideravelmente mais limpas e sustentáveis do que a tecnologia tradicional baseada em combustão. O etanol é uma opção viável para uso em veículos elétricos alimentados por célula a combustível dado o contexto energético brasileiro e o fato de células a combustível de óxido sólido (SOFCs) possibilitarem múltiplos tipos de combustíveis. O etanol tem uma série de qualidades atraentes, incluindo alta densidade energética, facilidade de armazenamento e transporte, além da capacidade de ser produzido a partir de biomassa renovável. Como a operação convencional de reforma a vapor do etanol produz hidrogênio, a SOFC pode utilizá-lo internamente. Neste contexto, a otimização topológica das células de combustível, aliada à validação e otimização experimental, é uma abordagem poderosa para a inovação e o desenvolvimento científico, abrindo caminho para dispositivos práticos e uma compreensão mais profunda dos fenómenos físicos adjacentes a eles. O arcabouço dessa pesquisa se enquadra nos projetos do RCGI com foco no desenvolvimento de células a combustível para aplicações veiculares.O objetivo principal desta pesquisa é desenvolver metodologias aprimoradas para otimização de topologias de SOFC, visando projetar componentes de célula SOFC com maior desempenho e durabilidade.

O referido projeto se baseia na preparação de membranas compósitas baseadas em polietileno e óxido de silício como eletrólito sólido em sistemas de conversão eletroquímico. A preparação de compósitos visa a obtenção de materiais com alta condutividade e excelentes propriedades química, mecânica e térmica. Os compósitos serão produzidos a partir de polímeros de polietileno de alta densidade (HDPE) e óxido de silício (SiO2) comerciais por extrusão dupla rosca, e serão submetidos a processos de copolimerização via radiação. O IPEN, por apresentar facilidades resultantes do seu histórico na área nuclear, apresenta infraestrutura única para síntese desses materiais. O objetivo principal desse projeto é otimizar as propriedades físico-químicas assim como desenvolver uma metodologia para aumento de escala na produção de tais materiais, que poderão ser empregados em células a combustível, eletrolisadores e conversores de metano a produtos de maior valor agregado.

Este projeto de pesquisa visa estudar os processos fotoeletrocatalíticos para interconversão de energia química em elétrica e síntese de moléculas de produtos de reação relevantes, em uma célula a combustível fotoassistida por energia solar. O foco principal está associado ao estudo das reações envolvidas nas células a combustível alimentadas com álcoois, especialmente etanol e glicerol. Aspectos fundamentais da fotoeletrocatálise da oxidação do etanol e do glicerol serão investigados sobre semicondutores nanoestruturados (nanotubos de TiO2, Nb2O5, etc) decorados com nanopartículas catalíticas como Pt, Pd, etc, em meio neutro, levemente ácido ou alcalino. Esses estudos envolverão a determinação quantitativa dos intermediários e produtos da reação por espectroscopia FTIR in situ, espectrometria de massa eletroquímica diferencial em-linha, cromatografia líquida e iônica, etc. As investigações incluirão correlação entre a atividade fotoeletrocatalítica, estabilidade química do eletrocatalisador e a estrutura das nanopartículas. Por fim, serão feitas investigações eletroquímicas em uma célula a combustível unitária fotoassistida direta de álcool (DAPAFC) utilizando fotoeletrocatalisadores investigados nas etapas anteriores. (AU)

O objetivo deste projeto é introduzir técnicas de modelagem molecular para aplicações em tecnologias de células a combustível. Vamos nos concentrar na aplicação de técnicas de modelagem molecular para explorar materiais nanoestruturados como catalisadores alternativos para células de combustível. Como objetivo específico, estudaríamos o funcionamento de células a combustível à base de etanol. Com base em cálculos de primeiros princípios, serão determinadas as propriedades estruturais e termodinâmicas.

O referido projeto se baseia na preparação de ionômeros sólidos como componentes-chave de eletrodos de difusão de gás para a aplicação em sistemas de conversão eletroquímico. A preparação de ionômeros visa a obtenção de materiais com alta condutividade e excelentes propriedades química, mecânica e térmica. Os ionômeros sólidos serão produzidos a partir de polímeros comerciais, tais como os polímeros da família do polietileno e polímeros parcialmente perfluorados, e serão submetidos a processos de copolimerização via radiação. O IPEN, por apresentar facilidades resultantes do seu histórico na área nuclear, apresenta infraestrutura única para síntese desses materiais. O objetivo principal desse projeto é otimizar as propriedades físico-químicas assim como desenvolver uma metodologia para aumento de escala na produção de tais materiais, que poderão ser empregados em células a combustível, eletrolisadores e conversores de metano a produtos de maior valor agregado.

A água residual de petróleo é o resíduo gerado em maior quantidade nas indústrias de petróleo e de gás natural. Estima-se que para cada barril de petróleo produzido gera-se pelo menos de 3 a 10 barris de água residual de petróleo. A água residual de petróleo é composta por uma mistura de diferentes compostos orgânicos e inorgânicos. Dentre os compostos orgânicos, podemos destacar os fenóis, tiofenos e os BTEXs (formados por benzeno, tolueno, etilbenzenos e xilenos) que apresentam elevada toxicidade. Devido à crescente produção de petróleo e de gás natural em todo mundo, o volume e a descarga de água residual de petróleo aumentou consideravelmente, provocando a contaminação do meio ambiente como um todo, e têm ultimamente se tornado uma questão de significativa preocupação às agências reguladoras da área da saúde e meio ambiente. Por esses motivos, grandes esforços de pesquisa têm se concentrado no monitoramento, detecção, quantificação e tratamento desse resíduo. Neste contexto, o desenvolvimento de um sistema de detecção destes contaminantes autossustentáveis alimentados por um sistema de Células a Combustível Microbiana (CCM) mostra ser uma alternativa muito atrativa e promissora. Desta forma, pode-se agregar em um único sistema geração de energia elétrica, detecção, quantificação e monitoramento de diferentes classes de compostos na água residual de petróleo. Através da CCM é possível realizar, a degradação e o tratamento de diversos compostos presentes nessa matriz via ação de microrganismos. Desta forma, a bioeletricidade gerada pode ser utilizada como fonte de alimentação de sensores ou biossensores eletroquímicos acoplados à estrutura da CCM, gerando assim um dispositivo com sensores ou biossensores autoalimentados. Sensores ou biossensores eletroquímicos, desenvolvidos pela modificação de eletrodos, podem ser uma excelente alternativa para a detecção, quantificação e monitoramento de diversos compostos presentes em diferentes matrizes com respostas confiáveis, rápidas, de fácil manuseio e de baixo custo. No mais, permitem o desenvolvimento de métodos analíticos mais robustos, com elevado desempenho e portabilidade. Assim, por meio da construção de um dispositivo combinando a CCM com sensores eletroquímicos acoplados à sua estrutura, é possível realizar simultaneamente a degradação, o tratamento e a quantificação eletroquímica de diversos compostos, como por exemplo, os BTEXs, presentes em amostras de água residual de petróleo. Portanto, este projeto tem como objetivo primeiramente desenvolver um método eletroquímico para a determinação e quantificação dos BTEXs na água residual de petróleo, através da construção de um sensor eletroquímico, obtido pela modificação da superfície de um eletrodo de carbono impresso com fosforeno e polímeros molecularmente impressos (MIPs). Posteriormente, será investigada uma CCM para a produção de energia elétrica, tratamento e degradação dos compostos orgânicos altamente tóxicos, como os BTEXs, presentes na água residual de petróleo. Como etapa final do projeto, propõem-se acoplar os dois sistemas para o desenvolvimento e obtenção de um sistema com sensores eletroquímicos autoalimentados, para a determinação, quantificação, tratamento e degradação de BTEXs na água residual de petróleo. A eficiência do sistema de detecção e tratamento será avaliada analisando a composição físico-química, a toxicidade e a mutagenicidade das amostras de água residual de petróleo antes e após o tratamento na CCM. (AU)

Com o advento de fontes alternativas de energia, surgiram diversas formas de gerenciamento através da eletrônica de potência visando garantir uma maior confiabilidade na operação e uma maior eficiência dessas fontes que são intermitentes. Juntamente com as fontes alternativas, utiliza-se armazenadores em conjunto que podem desempenhar algumas funções na operação, tais como o suprimento de energia durante a ausência de geração e compensação do transiente para não desgastar alguma fonte renovável. Assim, essa solicitação de bolsa de doutorado propõe uma topologia de microrrede CC com armazenadores e fontes alternativas de energia (podendo ser células a combustível e painéis fotovoltaicos) para o gerenciamento de potência no barramento, balanceamento do estado de carga das baterias, além da otimização na operação de todas as fontes presentes. Para esse projeto, haverá um estudo inicial, a partir dos resultados do projeto de mestrado, utilizando o método de compartilhamento de SoC, denominado de SoC-Sharing que utiliza a função de Sigmóide para equalização das baterias e o gerenciamento das fontes alternativas pela técnica Droop e considerando também, a compensação de transitório. Em seguida, uma nova topologia de conversores CC/CC é proposta para inclusão no sistema híbrido juntamente com outra geração distribuída, sendo também considerado a influenciação da linha de distribuição. Além disso, será estudado o balanceamento dos armazenadores a partir de diferentes pontos de leitura de tensão e maneiras de poder maximizar os resultados finais. Após melhorias na equalização, será realizado estratégias de otimização de acordo com a característica de cada fonte alternativa e a necessidade da fonte despachável. Posteriormente, nas simulações via software será proposto uma restauração do link CC. Por fim, será apresentada a análise de estabilidade de toda a microrrede através do método indireto de Lyapunov. Ressalta-se que, primeiramente, serão avaliadas todas as estratégias de controle e gerenciamento através do software PSIM e então, será realizada a adaptação da bancada experimental. (AU)