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Tipo: Dissertação
Título: Desenvolvimento e aplicação de fonte de corrente Howland para avaliação da eletrólise pulsada da água
Autor(es): Frota, Francisco Wilson Oliveira da
Orientador: Sá Júnior, Edilson Mineiro
Palavras-chave em português: eletrólise pulsada;fonte Howland;hidrogênio verde
Palavras-chave em inglês: pulsed electrolysis;Howland current source;green hydrogen;transconductance;electrical double layer
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Data do documento: 2025
Citação: FROTA, Francisco Wilson Oliveira da. Desenvolvimento e aplicação de fonte de corrente Howland para avaliação da eletrólise pulsada da água. 2025. Dissertação (Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação), Universidade Federal do Ceará, Campus de Sobral, 2025.
Resumo: A eletrólise pulsada da água tem se destacado como uma alternativa promissora para mitigar limitações inerentes à eletrólise convencional, especialmente aquelas relacionadas aos sobrepotenciais de ativação e ôhmico, aos efeitos de transporte de massa e à dinâmica da dupla camada elétrica. Entretanto, a investigação experimental desse regime exige fontes de corrente capazes de aplicar formas de onda precisas, estáveis e reprodutíveis sob variações dinâmicas da impedância da célula eletrolítica. Neste contexto, esta dissertação apresenta o desenvolvimento, a implementação e a aplicação de uma fonte de corrente do tipo Howland, projetada especificamente para estudos de eletrólise pulsada. A topologia Howland foi selecionada por sua elevada impedância de saída, boa linearidade e capacidade de fornecer correntes moduladas com baixa dependência da carga, características essenciais para o controle rigoroso de pulsos elétricos. O sistema desenvolvido foi empregado tanto na caracterização elétrica da célula, por meio da análise transitória da dupla camada elétrica, quanto na avaliação comparativa entre a eletrólise em regime contínuo e pulsado. Experimentalmente, a eletrólise pulsada apresentou ganho relativo máximo de 9,72% na eficiência energética, alcançando eficiência de até 31,1%, quando operada em frequências de 40 a 50 kHz e razões cíclicas entre 20% e 50%, sob densidade de corrente de aproximadamente 0,5 A/cm². Nessas condições, observou-se ainda redução da tensão média da célula de até 700 mV, indicando mitigação parcial dos sobrepotenciais eletroquímicos. A fonte de corrente Howland demonstrou erro quadrático médio máximo de 0,053 em relação à forma de onda ideal, mantendo desempenho estável e reprodutível mesmo em frequências elevadas. Os resultados evidenciam o potencial da HCS como uma ferramenta de baixo custo e alta fidelidade para estudos experimentais em eletrólise pulsada da água e produção de hidrogênio verde.
Abstract: Pulsed water electrolysis has emerged as a promising strategy to mitigate limitations inherent to conventional electrolysis, particularly those associated with activation and ohmic overpotentials, mass transport phenomena, and the dynamic behavior of the electrical double layer. However, experimental investigation of pulsed regimes requires current sources capable of delivering precise, stable, and reproducible waveforms under dynamic variations of the electrolytic cell impedance. In this context, this dissertation presents the development, implementation, and application of a Howland Current Source (HCS) specifically designed for pulsed electrolysis studies. The Howland topology was selected due to its high output impedance, linearity, and ability to supply modulated currents with minimal load dependence, which are essential features for accurate pulse control. The developed system was employed both for electrical characterization of the electrolytic cell, through transient analysis of the electrical double layer, and for comparative evaluation between continuous and pulsed electrolysis. Experimentally, pulsed electrolysis achieved a maximum relative energy efficiency gain of 9.72%, reaching efficiencies up to 31.1% when operated at frequencies between 40 and 50 kHz and duty cycles ranging from 20% to 50%, under a current density of approximately 0.5 A/cm². Under these conditions, a reduction of up to 700 mV in the average cell voltage was observed, indicating partial mitigation of electrochemical overpotentials. The Howland current source exhibited a maximum mean squared error of 0.053 relative to an ideal waveform, demonstrating stable and reproducible dynamic performance even at high frequencies. These results highlight the HCS as a low-cost, high-fidelity experimental tool for advanced investigations of pulsed water electrolysis and green hydrogen production.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/85433
ORCID do(s) Autor(es): 0009-0005-5983-8371
Currículo Lattes do(s) Autor(es): lattes.cnpq.br/3679944070263253
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0002-7388-229X
Currículo Lattes do Orientador: https://lattes.cnpq.br/4828845714096699
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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