Modelagem matemática e otimização de pilha de combustível de membrana alcalina

Abstract

Resumo: Em meio ao aumento da demanda energética, cada vez mais se tem buscado fontes de energias alternativas. As células de combustível surgem como uma opção de geração de energia limpa, pois seu funcionamento se dá através da reação eletroquímica entre um combustível e um oxidante, produzindo energia e água. Apesar das vantagens, essa tecnologia ainda não é muito utilizada, pois existem obstáculos a serem ultrapassados, tais como o elevado custo de catalisadores e de manufatura. Além disso, a potência produzida por uma célula de combustível é relativamente baixa, o que pode ser resolvido construindo-se pilhas de combustível. Dessa forma, este trabalho trará a construção de um modelo dinâmico computacionalmente rápido para prever a resposta de uma Pilha de Combustível de Membrana Alcalina (Pilha AMFC) de acordo com as variações das propriedades físicas dos materiais e parâmetros de projeto e operação. O modelo é baseado em princípios eletroquímicos e de conservação de massa, quantidade de movimento, energia e espécies. Ele também leva em conta a queda de pressão nos coletores, canais de gases das células unitárias e do gradiente de temperatura em relação ao espaço na direção do fluxo. Os resultados da simulação incluem curvas de distribuição de temperatura, potência líquida e de polarização, onde foi possível observar a contribuição dos potenciais anódico e catódico separadamente no potencial total da Pilha AMFC, bem como as perdas de potência que ocorrem. Após o processo de simulação, foi realizada a otimização termodinâmica, com a finalidade de se obter uma máxima potência líquida, sendo que a otimização foi realizada a níveis de geometria interna da célula, geometria externa da pilha, razão estequiométrica, volume total e, em relação à concentração no eletrólito. Entre os resultados obtidos está a geometria externa ótima da Pilha AMFC, onde a largura e a altura relativas ótimas são iguais a 0,1, a concentração ótima no eletrólito foi de 40% de KOH e, a potência máxima obtida foi de 62,83 kW para um volume de 21,56L

Abstract: Amid the increasing energy demand, increasingly has sought alternative energy sources. Fuel cells have emerged as an option for generating clean energy, as occurs through the electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, producing energy and water. Despite the advantages, this technology is still not widely used because there are obstacles to be overcome, such as the high cost of catalysts and manufacturing. However, the power output of a single cell is relatively low, and this can be solved by constructing a fuel cells stack. Thus, this work will bring a dynamic model computationally fast to predict the response of a alkaline membrane fuel cell (AMFC) according to the variations of the physical properties of materials and design and operation parameters. The model is based on electrochemical principles and the conservation of mass, momentum, energy and species. It also takes into account the pressure drop in the headers, gas channels of the unit cell and the temperature gradient in relation to the space in the flow direction. The simulation results include distribution curves of temperature and power output polarization, where it was possible to observe the contribution of the anode and cathodic potentials separately on the total power output of the AMFC fuel cell, as well as the power losses which occurs. After the simulation process, a thermodynamic optimization was performed, with the aim of obtain a maximum net power output, wherein the optimization was performed by the internal geometry levels of the fuel cell, external geometry of the stack, stoichiometric ratio, total volume and the concentration in the electrolyte. In the obtained results, external optimal configuration of the AMFC fuel cell found by the model was [xi]y/[xi]x = [xi]z/[xi]x = 0,1, the optimal concentration in the electrolyte was 40% KOH, and the maximum power obtained was 62,83 kW for a volume equal to 21,56L