Hidrodin??mica do escoamento nos canais cat??dicos de um c??lula a combust??vel de membrana polim??rica condutora de pr??tons

• Main Author: SKODA, SANDRO
• Publication Date: 2014
• Format: Doctoral thesis
• Source: Repositório Institucional do IPEN
• Download full: http://repositorio.ipen.br/handle/123456789/11813
• topic: proton exchange membrane fuel cells; fluid flow; flow rate; cathodes; floods; mathematical models; c codes

Este trabalho tem por objetivo estudar as regi??es dos canais cat??dicos de uma c??lula a combust??vel de membrana polim??rica condutora de pr??tons PEM unit??ria, em que h?? ac??mulo de ??gua e os padr??es de escoamento desta ??gua nos canais, bem como as condi????es de opera????o em que isto ocorre. Esta ??gua acumulada nos canais cat??dicos tem duas origens distintas, a saber: 1. ??gua produzida na rea????o de redu????o do oxig??nio no s??tio catal??tico do c??todo, 2. ??gua de condensa????o formada a partir do vapor de ??gua proveniente do umidificador de oxig??nio. O arranjo experimental desenvolvido permitiu a perfeita visualiza????o dos fen??menos; a saber: iniciando-se com got??culas que emergem da camada de difus??o gasosa do c??todo, passando estas got??culas a se aglutinarem por um processo de coalescimento aumentando de tamanho at?? formarem um filme nas paredes dos canais. Em continuidade a este processo h?? um adensamento do filme com a forma????o de bols??es (slugs) de ??gua l??quida que ocupam a ??rea de passagem do oxig??nio nos canais. O bloqueio da passagem do oxig??nio pelo bols??o de ??gua l??quida no canal impede que o oxig??nio alcance os s??tios catal??ticos da camada catal??tica do c??todo onde ocorre a rea????o de redu????o do oxig??nio, cessando desta forma a rea????o, constituindo-se num dos mais s??rios problemas das c??lulas a combust??vel do tipo membrana polim??rica, uma vez que afeta diretamente o desempenho da c??lula. A forma????o cont??nua desses slugs e seu agrupamento ?? um fen??meno denominado de encharcamento (flooding) da c??lula. Para se observar estes fen??menos que ocorrem no interior dos canais cat??dicos utilizou-se de um prot??tipo de c??lula a combust??vel transparente unit??ria de 5 cm?? de ??rea geom??trica cuja placa de fechamento foi feita de policarbonato transparente. A c??lula foi alimentada com o combust??vel hidrog??nio pelo lado do ??nodo e com o oxidante oxig??nio pelo lado do c??todo. Nos experimentos utilizou-se um espectro de temperaturas variando de 25??C a 55??C. A temperatura m??xima da c??lula ficou limitada a 55??C uma vez que o policarbonato come??a a se degradar com ??gua a 60??C por isso n??o se utilizando temperaturas na faixa de 70??C a 90??C que s??o as temperaturas de opera????o das c??lulas PEM comerciais. As vaz??es de oxig??nio e de hidrog??nio usadas foram de 60 mL min-1 e de 100 mL min-1 respectivamente. A faixa de potencial variou de 0,1 V a 1,0 V. Foram utilizados cargas de platina de 0,4 mg cm-2 no eletrodo an??dico e no eletrodo cat??dico. Os resultados experimentais foram comparados aos resultados num??ricos na forma de curvas de polariza????o que medem o desempenho da c??lula apresentando uma boa concord??ncia entre si, deste modo validando o modelo num??rico usado. Para fazer a modelagem matem??tica da placa com os canais cat??dicos usou-se o software comercial COMSOL Multiphysics 4.3a, no qual se implementou uma fun????o chave que indica o equil??brio l??quido/vapor, obtendo-se como resultados num??ricos a distribui????o de satura????o em um espectro de temperaturas de 25??C a 55??C e de potenciais de 0,1 V a 1,0 V.