Modelagem, simulação e otimização de células de combustível de membrana alcalina

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Sommer, Elise Meister
Data de Publicação: 2012
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/29360
Resumo: Orientador : Prof. Dr. José Viriato Coelho Vargas
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spelling Ordonez, Juan Carlos, 1973-Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaVargas, José Viriato Coelho, 1958-Sommer, Elise Meister2024-03-01T14:14:34Z2024-03-01T14:14:34Z2012https://hdl.handle.net/1884/29360Orientador : Prof. Dr. José Viriato Coelho VargasCoorientador: Prof. Dr. Juan Carlos OrdonezTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 30/11/2012Bibliografia: fls. 105-110Resumo: A tecnologia de célula de combustível se apresenta como uma opção promissora de produção de energia limpa, quando consideradas sua alta eficiência e mínimo impacto ambiental. Entretanto seu alto custo é um dos desafios que impedem sua extensiva utilização. Por isso neste trabalho busca-se a otimização do desempenho de um protótipo da célula de combustível de membrana alcalina (AMFC). Como ferramenta para prever o desempenho da AMFC, um modelo matemático para uma AMFC unitária é introduzido neste trabalho. É necessário que o modelo seja confiável e computacionalmente rápido para prever a resposta da AMFC unitária de acordo com as variações das propriedades físicas dos materiais, e parâmetros de operação e de projeto. Por isso, o modelo é baseado em princípios eletroquímicos, e conservação de massa, momento, energia e espécies. Além disso, considera a perda de carga dos canais de gases e os gradientes de temperatura e pressão em relação ao espaço na direção do fluxo. Como resultados da simulação, apresentam-se a distribuição de temperatura, curvas de polarização e de potência líquida que foram validadas experimentalmente por comparação direta com as medidas de potencial e corrente realizadas num protótipo da AMFC, para diferentes concentrações (y) de solução de eletrólito (KOH), que mostraram boa concordância tanto quantitativa como qualitativa. Conclui-se a partir de resultados experimentais que o transiente de start-up é curto e que existem valores ótimos de y (~40%), que conduzem a potência máxima. Também foram formuladas correlações empíricas para a densidade de corrente de troca (i0) dos eletrodos em função da concentração de eletrólito. O modelo ajustado e validado foi utilizado como ferramenta para o projeto construtal (otimização termodinâmica) da AMFC, visando máxima potência líquida sob uma restrição de volume. O procedimento de otimização foi feito em dois níveis: a estrutura interna, em que é otimizada a configuração interna (espessuras das camadas difusivas e catalíticas dos dois eletrodos) e a estrutura externa, em que se busca a forma externa (razão de aspecto) ótima. O volume disponível é distribuído otimamente através do sistema tal que a potência líquida, i.e. elétrica menos a de bombeamento, é maximizada. Os resultados numéricos mostram que os ótimos encontrados são acentuados, observando-se uma variação de até 600% na potência líquida na faixa testada de razões de aspecto externas da AMFC, o que destaca a importância de encontrar os parâmetros ótimos da AMFC, seja qual for a complexidade do projeto real. Mostra-se também que a potência líquida maximizada três vezes aumenta monotonicamente com o volume total elevado à potência 0,7 (~3/4), similarmente à taxa metabólica e a massa de animais. Por último, mas não menos importante, pelo fato de combinar precisão com baixo tempo computacional, espera-se que o modelo possa ser usado como importante ferramenta para projeto, controle e otimização da AMFC para pilhas de células de combustível.Abstract: Fuel cell technology is a promising alternative for clean energy production, due its high efficiency and minimum environmental impact. However, cost is one of the reasons that prevent fuel cell extensive utilization. This work aims to optimize the performance of an alkaline membrane fuel cell (AMFC) prototype. As a tool to predict the AMFC performance, a mathematical model for a single AMFC is introduced in this study. The model needs to be reliable and computationally fast to predict the response of the single AMFC according to variations of physical properties of the materials, and operating and design parameters. For that, the model is based on electrochemical principles, and mass, momentum, energy and species conservation. It also takes into account pressure drop in the gas channels and the temperature and pressure gradients with respect to space in the flow direction. The simulation results comprise temperature distribution, net power and polarization curves, which were experimentally validated by direct comparison to voltage and current measurements performed in an AMFC prototype for different electrolyte (KOH) solution concentrations (y), showing good quantitative and qualitative agreement. It is concluded from experimental results that the startup transient is short and that there are optimal values of y (~40 %) which lead to maximum power. Empirical correlations have also been formulated for the exchange current density (i0) in the electrodes with respect to the electrolyte concentration. The adjusted and validated model was then used as a tool for AMFC constructal design (thermodynamic optimization), seeking a maximum net power under a volume constraint. The optimization procedure was performed in two levels: internal structure, where the internal configuration is optimized (thicknesses of the diffusive and catalytic layer of both electrodes) and external structure, in which the optimal external shape (aspect ratio) is sought. The available volume is distributed optimally throughout the system so that net power, i.e., electrical minus pumping power, is maximized. The numerical results show that the optima found are sharp, observing a variation up to 600% in net power within the tested range of AMFC external aspect ratios, what emphasizes the importance of finding the optimal AMFC parameters, no matter how complex the actual design might be. It is also known that the three times maximized net power increases monotonically with total volume raised to the power 0.7 (~3/4), similarly to metabolic rate and mass in animal design. Last, but not least, due to the fact that precision and low computational time are combined, it is expected that the model could be used as an important tool for AMFC design, control and optimization at the fuel cell stack level.110f. : il., grafs., tabs.application/pdfDisponível em formato digitalCélulas à combustível - Modelos matemáticosEnergia - ConsumoEngenharia mecânicaModelagem, simulação e otimização de células de combustível de membrana alcalinainfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - T - ELISE MEISTER SOMMER.pdfapplication/pdf3514639https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/29360/1/R%20-%20T%20-%20ELISE%20MEISTER%20SOMMER.pdf0f5a88f96d35ede9e3ac1c9fe26e342dMD51open accessTEXTR - T - ELISE MEISTER SOMMER.pdf.txtExtracted Texttext/plain182957https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/29360/2/R%20-%20T%20-%20ELISE%20MEISTER%20SOMMER.pdf.txt81fb46d796efa2333c7b8ffc53505d1aMD52open accessTHUMBNAILR - T - ELISE MEISTER SOMMER.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1180https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/29360/3/R%20-%20T%20-%20ELISE%20MEISTER%20SOMMER.pdf.jpgc689f36632d3f0117ddb65ba697c8a0bMD53open access1884/293602024-03-01 11:14:35.123open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/29360Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082024-03-01T14:14:35Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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