Desenvolvimento e validação experimental de um modelo matemático de células de combustível alcalinas

Abstract

Resumo: A economia do hidrogênio é uma alternativa possível à atual crise global da economia baseada nos combustíveis fósseis. A tecnologia para manufatura e operação de células de combustíveis está bem avançada. Entretanto, os custos representam uma razão pela qual as células de combustível ainda não são instaladas onde são requeridas altas potências. Por isso, novas concepções e otimizações são uma alternativa natural para reduzir custos e tornar as células de combustível cada vez mais atrativas para geração de energia. Esta dissertação retrata o desenvolvimento do processo de determinação das curvas de polarização e potência de uma célula de combustível de membrana alcalina com eletrodos livres de platina. Como objetivo geral, é desenvolvido um modelo matemático compreensível e simplificado para células de combustível, baseado na conservação de momento, massa, energia e espécies e em princípios eletroquímicos. A curva de polarização da célula de combustível, a curva de potência real e eficiências são obtidas como função da temperatura, pressão e parâmetros geométricos e operacionais. Mesmo que o modelo tenha sido desenvolvido para a célula de combustível de membrana alcalina (AMFC), pode ser plicado aos demais tipos de célula de combustível, desde que sejam alteradas as equações das reações químicas e adaptadas as interações energéticas. Os parâmetros utilizados no modelo matemático foram obtidos para o protótipo da AMFC, por testes de porosidade e permeabilidade e microscopia eletrônica de varredura. Feito isso, o modelo foi validado experimentalmente por medidas de corrente e tensão feitas na AMFC, para diferentes concentrações de eletrólito. O modelo foi então ajustado para se obter o melhor valor de densidade de corrente de troca (i0) dos eletrodos, importante propriedade física que pode ser stimada pela linearização da equação de Tafel. Como os resultados numéricos apresentaram boa concordância tanto qualitativa quanto quantitativa quando comparados com os experimentais os valores adotados para i0 se mostraram adequados. Outros resultados importantes das simulações foram os perfis de temperatura ao longo da direção do fluxo na AMFC.

Abstract: The hydrogen economy is a possible alternative to the current oil based global economy. The technology to build and operate fuel cells is well advanced. However, cost is the reason why fuel cells are not being installed wherever there is a need for more power. Therefore, new conceptions and optimization are a natural alternative to reduce cost and make fuel cells increasingly more attractive for power generation. This dissertation documents the process of determining the polarization and power curves of a ovel platinum free alkaline membrane fuel cell. A general purpose, comprehensive and simplified mathematical model for fuel cells is developed, based on mass, momentum, energy and species conservation, and electrochemical principles. The fuel cell polarization curve, actual power and efficiencies are obtained as functions of temperature, pressure, geometric and operating parameters. Although the model is developed for an alkaline membrane fuel cell (AMFC), it may well be applied to other types of fuel cells, by changing the reaction equations and adapting energy interactions. The parameters used in the mathematical model were obtained for the AMFC prototype by measurements of porosity and permeability, and scanning electron microscopy. Then, the model was experimentally validated through voltage and current measurements performed in the AMFC for different electrolyte concentrations. The model was then adjusted in order to obtain the best value of exchange current density (i0) in the electrodes, which is an important physical property that can be estimated by linearization of the Tafel equation. Since the numerical results showed good qualitative and quantitative agreement when compared to the experimental ones, the value adopted for i0 proved to be appropriate. Another important result of the simulations was the temperature profiles as functions of the AMFC flow direction.