Modelagem matemática aplicada ao estudo de células a combustível a etanol direto
| Ano de defesa: | 2022 |
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| Tipo de documento: | Dissertação |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
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| Instituição de defesa: |
Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos |
| Programa de Pós-Graduação: |
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
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| 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. |
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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 |
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