Modelagem e simulação de células a combustível : uma análise de equipamentos de 2 kw e 2,5 kw

Abstract

Resumo : As células a combustível (CaC) são dispositivos eletroquímicos capazes de converter energia química diretamente em energia elétrica, sem etapas intermediárias de combustão, destacando-se pela alta eficiência energética em comparação com tecnologias tradicionais de geração, como turbinas a gás e motores de combustão interna. Além disso, possuem ampla aplicabilidade em áreas como transporte, geração estacionária de energia e eletrônicos portáteis, sendo reconhecidas por suas baixas emissões de poluentes e pelo seu papel na transição energética sustentável. Este trabalho tem como objetivo apresentar o desenvolvimento de modelos para descrever o comportamento estático e dinâmico das CaC, com o propósito de analisar suas características operacionais, avaliar seu desempenho em diferentes condições de operação e dos sistemas de controle envolvidos na conversão de hidrogênio em energia elétrica. O modelo foi implementado no software Simulink, utilizando uma parametrização fundamentada nos princípios dos fenômenos eletroquímicos e em dados consolidados na literatura técnica. Também foram explorados os principais sistemas de controle utilizados para garantir a estabilidade e eficiência das CaC em aplicações práticas. Para validar o modelo, foram realizadas simulações computacionais que compararam o desempenho estático e investigaram o comportamento dinâmico do sistema diante de um perfil de carga predefinido. Os resultados das simulações demonstraram que o modelo proposto é eficaz para prever o comportamento real das CaC, mostrando sua robustez e aplicabilidade em diferentes cenários de carga. Para o modelo estático, a célula de 2 kW foi ajustada com base no datasheet, enquanto a de 2,5 kW foi ajustada por meio de experimentos práticos, o que proporcionou um ajuste mais preciso e representativo do desempenho real. Para o modelo dinâmico, a parametrização foi realizada com base na literatura, garantindo uma modelagem precisa do comportamento transitório da célula. Além disso, o modelo mostrou sua utilidade como ferramenta para análises e otimização de sistemas baseados nessa tecnologia, garantindo estabilidade e eficiência em diferentes condições operacionais.

Abstract : Fuel cells (FC) are electrochemical devices capable of directly converting chemical energy into electrical energy, without intermediate combustion steps, standing out for their high energy efficiency compared to traditional generation technologies, such as gas turbines and internal combustion engines. Furthermore, they have broad applicability in areas such as transportation, stationary energy generation, and portable electronics, being recognized for their low pollutant emissions and their role in the sustainable energy transition. This work aims to present the development of models to describe the static and dynamic behavior of FCs, with the purpose of analyzing their operational characteristics, evaluating their performance under different operating conditions, and the control systems involved in the conversion of hydrogen into electrical energy. The model was implemented in the Simulink software, using a parametrization based on the principles of electrochemical phenomena and data consolidated in the technical literature. The main control systems used to ensure the stability and efficiency of FCs in practical applications were also explored. To validate the model, computational simulations were carried out to compare the static performance and investigate the dynamic behavior of the system under a predefined load profile. The simulation results demonstrated that the proposed model is effective in predicting the real behavior of FCs, showing its robustness and applicability in different load scenarios. For the static model, the 2 kW cell was adjusted based on the datasheet, while the 2.5 kW cell was adjusted through practical experiments, providing a more precise and representative adjustment of the real performance. For the dynamic model, the parametrization was performed based on the literature, ensuring an accurate model of the cell's transient behavior. Moreover, the model proved useful as a tool for analysis and optimization of systems based on this technology, ensuring stability and efficiency under different operating conditions.