Simulação de uma célula a combustível a etanol direto por meio de diferenças finitas

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Vargas, Neemias Rodrigues de
• Orientador(a): De Bortoli, Álvaro Luiz
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Método Runge-Kutta; Modelo matemático; Método de Gauss; Método de diferenças finitas
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/282901

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo bidimensional não isotérmico para células a combustível a etanol direto (DEFC), que simula o fluxo interno da célula, a resistência ao transporte de massa, as perdas sobrepotenciais e a voltagem de operação. O modelo é fundamentado nas equações de Navier-Stokes e integra equações para calcular as perdas sobrepotenciais decorrentes da ativação, resistência ôhmica e concentração, fatores que impactam o desempenho da célula. A variação da concentração das espécies químicas na superfície do catalisador é considerada para estimar as perdas e calcular a tensão de operação da célula com base nas condições iniciais estabelecidas. A discretização das equações foi realizada utilizando o método de diferenças finitas. A integração das velocidades foi feita via método de Runge-Kutta simplificado e a pressão foi atualizada via método de Gauss-Seidel iterativo. A validação do modelo foi realizada por meio da comparação dos resultados com dados experimentais da literatura, demonstrando boa concordância, especialmente no que se refere às frações molares das espécies químicas envolvidas. O etanol no ânodo e o oxigênio no cátodo seguem comportamentos esperados, com as reações de oxidação e redução correspondendo aos resultados experimentais. Embora o modelo seja eficaz, ele apresenta algumas limitações, como a simplificação das reações químicas e a suposição de condições ideais de operação, que podem não refletir com precisão variáveis reais, como controle de temperatura e umidade da membrana. O modelo também assume uma membrana uniforme, o que pode não representar adequadamente sistemas com membranas não ideais ou variáveis. O desempenho da DEFC é analisado em função da escolha da membrana, da tensão de operação, da temperatura e da potência gerada, destacando a importância de melhorar a condutividade iônica e reduzir o crossover de etanol para aumentar a eficiência. O estudo contribui para o entendimento do desempenho das DEFCs, com foco na aplicação das células em sistemas de energia limpa e sustentável, como veículos elétricos e fontes estacionárias. As análises realizadas indicam que o controle da temperatura de operação e a escolha de membranas adequadas podem otimizar a eficiência e a potência da DEFC. Este trabalho não apenas amplia o conhecimento sobre o comportamento das DEFCs, mas também sugere direções futuras para a otimização de tecnologias, visando sua aplicação em sistemas energéticos mais amplos e sustentáveis.