Modelagem matemática aplicada ao estudo de células a combustível a etanol direto

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2022
Autor(a) principal: Oliveira, Deborah Stolte Bezerra Lisbôa de
Orientador(a): Sousa Júnior, Ruy de lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/15699
Resumo: The current fuel cell market is dominated by Hydrogen cells. Nevertheless, due to Hydrogen’s high reactivity, the difficulty in storage and the lack of infrastructure to distribute it, Hydrogen cells might not be the most attractive ones for everyday applications. Direct alcohol cells stand as an alternative because volatile alcohols (methanol and ethanol) can be oxidized at low temperatures (90 °C) and are easily stored and transported since they are liquids. Direct methanol fuel cells are already more commercially established than direct ethanol fuel cells (DEFC), but ethanol has advantages over methanol, namely: lower toxicity, higher theoretical energy density, and greater availability. For DEFC to become economically and technically viable, many challenges still need to be overcome, in specific, the electro-oxidation kinetics at the cell anode, which proceeds slowly, forms less-oxidized intermediate products and reduces cell efficiency. The objective of this master’s project is to model and simulate the ethanol oxidation kinetics in a DEFC. Three models were considered and adjusted to previously collected experimental data: 1) a first-principles ideal model based on Tafel kinetics and complete ethanol oxidation for Pt-Sn catalysts; 2) a realistic first-principles model for the incomplete electro-oxidation of ethanol also for several Pt-Sn catalysts; and 3) a fuzzy model to relate the structural and electronic properties of the Pt3Sn catalyst to cell performance (i.e., predicting current density). All models were implemented in MATLAB. The realistic model had a very good fit for all catalysts studied, as seen by small RMSE (Root Mean Squared Error) values, ranging from 0,22 to 4,21 A/cm2, while also predicting the surface coverage distributions in agreement with previous literature works (experimental basis). The fuzzy model structure also exhibited an excellent fit to experimental data. The addition of the integrated intensity as an input variable did not affect the fitted parameters for the other input variables (crystal size, surface area, presence of PtSn phase and cell potential) and, therefore, it was possible to create a broader and more relevant model that includes an electronic property of the catalyst. Response surface analyses, corroborated by particle swarm optimization, indicated that in order to maximize power density the greatest effect comes from decreasing crystal size. Medium potentials and medium integrated intensity are also favorable. In addition, presence of the PtSn phase in moderate amounts is not unfavorable. With these values it was possible to predict the optimization of the power density value to 24,3 mW/cm2, compared to a maximum experimental value of 19,6 mW/cm2.
id SCAR_bbd80210b705cc2a08eb404b1e2f967a
oai_identifier_str oai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/15699
network_acronym_str SCAR
network_name_str Repositório Institucional da UFSCAR
repository_id_str
spelling Oliveira, Deborah Stolte Bezerra Lisbôa deSousa Júnior, Ruy dehttp://lattes.cnpq.br/1983482879541203http://lattes.cnpq.br/7068826648265785d537e39f-1b2d-4266-a3a5-263e3c3ce52a2022-03-11T10:36:00Z2022-03-11T10:36:00Z2022-03-09OLIVEIRA, Deborah Stolte Bezerra Lisbôa de. Modelagem matemática aplicada ao estudo de células a combustível a etanol direto. 2022. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/15699.https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/15699The current fuel cell market is dominated by Hydrogen cells. Nevertheless, due to Hydrogen’s high reactivity, the difficulty in storage and the lack of infrastructure to distribute it, Hydrogen cells might not be the most attractive ones for everyday applications. Direct alcohol cells stand as an alternative because volatile alcohols (methanol and ethanol) can be oxidized at low temperatures (90 °C) and are easily stored and transported since they are liquids. Direct methanol fuel cells are already more commercially established than direct ethanol fuel cells (DEFC), but ethanol has advantages over methanol, namely: lower toxicity, higher theoretical energy density, and greater availability. For DEFC to become economically and technically viable, many challenges still need to be overcome, in specific, the electro-oxidation kinetics at the cell anode, which proceeds slowly, forms less-oxidized intermediate products and reduces cell efficiency. The objective of this master’s project is to model and simulate the ethanol oxidation kinetics in a DEFC. Three models were considered and adjusted to previously collected experimental data: 1) a first-principles ideal model based on Tafel kinetics and complete ethanol oxidation for Pt-Sn catalysts; 2) a realistic first-principles model for the incomplete electro-oxidation of ethanol also for several Pt-Sn catalysts; and 3) a fuzzy model to relate the structural and electronic properties of the Pt3Sn catalyst to cell performance (i.e., predicting current density). All models were implemented in MATLAB. The realistic model had a very good fit for all catalysts studied, as seen by small RMSE (Root Mean Squared Error) values, ranging from 0,22 to 4,21 A/cm2, while also predicting the surface coverage distributions in agreement with previous literature works (experimental basis). The fuzzy model structure also exhibited an excellent fit to experimental data. The addition of the integrated intensity as an input variable did not affect the fitted parameters for the other input variables (crystal size, surface area, presence of PtSn phase and cell potential) and, therefore, it was possible to create a broader and more relevant model that includes an electronic property of the catalyst. Response surface analyses, corroborated by particle swarm optimization, indicated that in order to maximize power density the greatest effect comes from decreasing crystal size. Medium potentials and medium integrated intensity are also favorable. In addition, presence of the PtSn phase in moderate amounts is not unfavorable. With these values it was possible to predict the optimization of the power density value to 24,3 mW/cm2, compared to a maximum experimental value of 19,6 mW/cm2.O mercado de células a combustível atual é dominado pelas células alimentadas com hidrogênio. Entretanto, devido à alta reatividade do hidrogênio, à dificuldade de armazená-lo, e à falta de uma infraestrutura para distribuí-lo, células a hidrogênio podem não ser as mais atrativas para aplicações cotidianas. As células a álcool direto apresentam-se como uma alternativa, pois os álcoois leves (metanol e etanol) podem ser oxidados a baixas temperaturas (90 ⁰C) e são facilmente armazenados e distribuídos por serem líquidos. A célula a metanol direto já está mais estabelecida comercialmente do que a célula a etanol direto (DEFC – Direct Ethanol Fuel Cell), porém o etanol possui vantagens sobre o metanol, como: menor toxicidade, maior densidade energética teórica, e maior disponibilidade. Para que a DEFC seja viabilizada técnica e economicamente muitos desafios precisam ser superados, dentre os quais destaca-se a cinética de eletro-oxidação do etanol no ânodo, que é lenta, forma produtos intermediários menos oxidados e reduz a eficiência da célula. O objetivo deste trabalho de mestrado é modelar e simular a cinética de oxidação do etanol em uma DEFC. Três modelos foram considerados e ajustados a dados experimentais previamente coletados: 1) modelo fenomenológico ideal com base na cinética de Tafel e na oxidação completa do etanol para catalisadores de Pt e Sn; 2) modelo fenomenológico realístico para a eletro-oxidação catalítica incompleta do etanol também para diferentes catalisadores de Pt e Sn; e 3) modelo nebuloso (fuzzy) para relacionar os efeitos estruturais e eletrônicos do catalisador Pt3Sn com o desempenho da célula (previsão da densidade de corrente). Todos os modelos foram implementados no software MATLAB. O modelo realístico obteve muito bons ajustes para todos os catalisadores estudados com valores baixos de RMSE (Root Mean Squared Error), entre 0,22 e 4,21 A/cm2, e ainda predizendo as distribuições de cobertura com comportamento de acordo com trabalhos da literatura (base experimental). A estrutura do modelo fuzzy também apresentou excelente ajuste aos dados experimentais. A inclusão da intensidade integrada como variável de entrada adicional não afetou os ajustes para as outras variáveis de entrada (tamanho do cristalito, área superficial, presença da fase PtSn e potencial) e, assim, foi possível criar um modelo mais abrangente e relevante que inclui uma propriedade eletrônica do catalisador. As análises de superfície de resposta, corroboradas com a otimização com enxame de partículas, mostraram que para maximizar a densidade de potência o maior efeito vem de se reduzir o tamanho dos cristalitos. Potenciais médios e intensidade integrada média também são favoráveis. Além disso, a presença da fase PtSn em quantidade moderada não chega a ser desfavorável. Com esses valores foi possível prever a otimização da densidade de potência a 24,3 mW/cm2, frente ao valor máximo experimental de 19,6 mW/cm2.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES) – Código de Financiamento 001Programa de Recursos Humanos da Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis n° 39 (PRH-ANP 39/FINEP)porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessDEFCLógica fuzzyModelagem matemática fenomenológicaFuzzy logicFirst-principles modellingENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAModelagem matemática aplicada ao estudo de células a combustível a etanol diretoMathematical modelling applied to the study of direct ethanol fuel cellsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis600600ab69fa78-14aa-4e78-beb8-e23c9aefadecreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTexto de Dissertação de Mestrado DSBLO completo & final.pdfTexto de Dissertação de Mestrado DSBLO completo & final.pdfTexto de Dissertação de Mestrado DSBLO finalapplication/pdf4536342https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d9fa7856-bd83-445b-a83f-b3dde6c7bf92/downloada2beaf2a621e149cc8ea549b73b4d7dcMD51trueAnonymousREADCarta Comprovante DSBLO.pdfCarta Comprovante DSBLO.pdfCarta Comprovante DSBLOapplication/pdf185486https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/99e56f16-6ed3-41e9-9f49-6dfe1d2378fa/download71968710b02e3de892e19ea0cb8eb38aMD52falseCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/2e310e8a-c217-4fe2-a590-f0a73b0d0929/downloade39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD53falseAnonymousREADTEXTTexto de Dissertação de Mestrado DSBLO completo & final.pdf.txtTexto de Dissertação de Mestrado DSBLO completo & final.pdf.txtExtracted texttext/plain187368https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/e564dd0e-67cc-4353-a1d5-dde82f1f2ac0/downloade80698d55db95c18ceb85edafb3ac1d8MD58falseAnonymousREADCarta Comprovante DSBLO.pdf.txtCarta Comprovante DSBLO.pdf.txtExtracted texttext/plain1451https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/c6e105ba-3adb-490d-a3b7-02c4a97508a8/download222430b86b37ff506cf6659c90ecfaa0MD510falseTHUMBNAILTexto de Dissertação de Mestrado DSBLO completo & final.pdf.jpgTexto de Dissertação de Mestrado DSBLO completo & final.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg9210https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/673f8d5a-0e24-4afc-afc8-33661d0207da/download7f042b5b0329352a88dcc9776cdcea3eMD59falseAnonymousREADCarta Comprovante DSBLO.pdf.jpgCarta Comprovante DSBLO.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg8961https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/b35de307-33e2-41e7-8eb2-f055320e0f10/download120ba67b8d8d348c42d627121b57f3f4MD511false20.500.14289/156992025-02-05 20:57:55.642http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/15699https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-05T23:57:55Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
dc.title.por.fl_str_mv Modelagem matemática aplicada ao estudo de células a combustível a etanol direto
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv Mathematical modelling applied to the study of direct ethanol fuel cells
title Modelagem matemática aplicada ao estudo de células a combustível a etanol direto
spellingShingle Modelagem matemática aplicada ao estudo de células a combustível a etanol direto
Oliveira, Deborah Stolte Bezerra Lisbôa de
DEFC
Lógica fuzzy
Modelagem matemática fenomenológica
Fuzzy logic
First-principles modelling
ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
title_short Modelagem matemática aplicada ao estudo de células a combustível a etanol direto
title_full Modelagem matemática aplicada ao estudo de células a combustível a etanol direto
title_fullStr Modelagem matemática aplicada ao estudo de células a combustível a etanol direto
title_full_unstemmed Modelagem matemática aplicada ao estudo de células a combustível a etanol direto
title_sort Modelagem matemática aplicada ao estudo de células a combustível a etanol direto
author Oliveira, Deborah Stolte Bezerra Lisbôa de
author_facet Oliveira, Deborah Stolte Bezerra Lisbôa de
author_role author
dc.contributor.authorlattes.por.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/7068826648265785
dc.contributor.author.fl_str_mv Oliveira, Deborah Stolte Bezerra Lisbôa de
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Sousa Júnior, Ruy de
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/1983482879541203
dc.contributor.authorID.fl_str_mv d537e39f-1b2d-4266-a3a5-263e3c3ce52a
contributor_str_mv Sousa Júnior, Ruy de
dc.subject.por.fl_str_mv DEFC
Lógica fuzzy
Modelagem matemática fenomenológica
topic DEFC
Lógica fuzzy
Modelagem matemática fenomenológica
Fuzzy logic
First-principles modelling
ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
dc.subject.eng.fl_str_mv Fuzzy logic
First-principles modelling
dc.subject.cnpq.fl_str_mv ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
description The current fuel cell market is dominated by Hydrogen cells. Nevertheless, due to Hydrogen’s high reactivity, the difficulty in storage and the lack of infrastructure to distribute it, Hydrogen cells might not be the most attractive ones for everyday applications. Direct alcohol cells stand as an alternative because volatile alcohols (methanol and ethanol) can be oxidized at low temperatures (90 °C) and are easily stored and transported since they are liquids. Direct methanol fuel cells are already more commercially established than direct ethanol fuel cells (DEFC), but ethanol has advantages over methanol, namely: lower toxicity, higher theoretical energy density, and greater availability. For DEFC to become economically and technically viable, many challenges still need to be overcome, in specific, the electro-oxidation kinetics at the cell anode, which proceeds slowly, forms less-oxidized intermediate products and reduces cell efficiency. The objective of this master’s project is to model and simulate the ethanol oxidation kinetics in a DEFC. Three models were considered and adjusted to previously collected experimental data: 1) a first-principles ideal model based on Tafel kinetics and complete ethanol oxidation for Pt-Sn catalysts; 2) a realistic first-principles model for the incomplete electro-oxidation of ethanol also for several Pt-Sn catalysts; and 3) a fuzzy model to relate the structural and electronic properties of the Pt3Sn catalyst to cell performance (i.e., predicting current density). All models were implemented in MATLAB. The realistic model had a very good fit for all catalysts studied, as seen by small RMSE (Root Mean Squared Error) values, ranging from 0,22 to 4,21 A/cm2, while also predicting the surface coverage distributions in agreement with previous literature works (experimental basis). The fuzzy model structure also exhibited an excellent fit to experimental data. The addition of the integrated intensity as an input variable did not affect the fitted parameters for the other input variables (crystal size, surface area, presence of PtSn phase and cell potential) and, therefore, it was possible to create a broader and more relevant model that includes an electronic property of the catalyst. Response surface analyses, corroborated by particle swarm optimization, indicated that in order to maximize power density the greatest effect comes from decreasing crystal size. Medium potentials and medium integrated intensity are also favorable. In addition, presence of the PtSn phase in moderate amounts is not unfavorable. With these values it was possible to predict the optimization of the power density value to 24,3 mW/cm2, compared to a maximum experimental value of 19,6 mW/cm2.
publishDate 2022
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2022-03-11T10:36:00Z
dc.date.available.fl_str_mv 2022-03-11T10:36:00Z
dc.date.issued.fl_str_mv 2022-03-09
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.citation.fl_str_mv OLIVEIRA, Deborah Stolte Bezerra Lisbôa de. Modelagem matemática aplicada ao estudo de células a combustível a etanol direto. 2022. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/15699.
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/15699
identifier_str_mv OLIVEIRA, Deborah Stolte Bezerra Lisbôa de. Modelagem matemática aplicada ao estudo de células a combustível a etanol direto. 2022. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/15699.
url https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/15699
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.relation.confidence.fl_str_mv 600
600
dc.relation.authority.fl_str_mv ab69fa78-14aa-4e78-beb8-e23c9aefadec
dc.rights.driver.fl_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
dc.publisher.initials.fl_str_mv UFSCar
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFSCAR
instname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron:UFSCAR
instname_str Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron_str UFSCAR
institution UFSCAR
reponame_str Repositório Institucional da UFSCAR
collection Repositório Institucional da UFSCAR
bitstream.url.fl_str_mv https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d9fa7856-bd83-445b-a83f-b3dde6c7bf92/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/99e56f16-6ed3-41e9-9f49-6dfe1d2378fa/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/2e310e8a-c217-4fe2-a590-f0a73b0d0929/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/e564dd0e-67cc-4353-a1d5-dde82f1f2ac0/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/c6e105ba-3adb-490d-a3b7-02c4a97508a8/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/673f8d5a-0e24-4afc-afc8-33661d0207da/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/b35de307-33e2-41e7-8eb2-f055320e0f10/download
bitstream.checksum.fl_str_mv a2beaf2a621e149cc8ea549b73b4d7dc
71968710b02e3de892e19ea0cb8eb38a
e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34
e80698d55db95c18ceb85edafb3ac1d8
222430b86b37ff506cf6659c90ecfaa0
7f042b5b0329352a88dcc9776cdcea3e
120ba67b8d8d348c42d627121b57f3f4
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
MD5
MD5
MD5
MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
repository.mail.fl_str_mv repositorio.sibi@ufscar.br
_version_ 1851688790753542144