Modelagem e simulação via elementos finitos de uma célula de combustível a etanol direto

Abstract

A geração de energia é um tema em constante debate, seja referente a sua eficiência e renovabilidade, ou a emissão de poluentes. Além disso, o consumo de energia tem crescido cada vez mais ao longo dos anos e, em contrapartida, combustíveis fósseis, que são responsáveis por cerca de 80% da geração de energia do mundo, correm risco de escassez. Uma tecnologia com características renováveis que tem se mostrado promissora e, ainda, mais eficiente que os geradores de energia tradicionais é a célula de combustível, que alimentada por etanol torna o processo limpo e eficiente. Neste trabalho, desenvolve-se um modelo numérico bi-dimensional para células de combustível com membrana trocadora de prótons alimentada por etanol produzido a partir de biomassa. O modelo leva em consideração o escoamento, a variação da concentração das espécies químicas, a variação da temperatura, a taxa de passagem de etanol através da membrana e as perdas sobrepotenciais no ânodo e no cátodo. As simulações numéricas são feitas utilizando o método de elementos finitos para discretização no espaço e o método de Crank-Nicolson para discretização no tempo. colorredAs perdas sobrepotenciais da célula são calculadas utilizando parâmetros (velocidade, concentração e temperatura) calculados com o modelo numérico. Resultados de escoamento, variação da concentração das espécies e temperatura, passagem de etanol através da membrana, densidade de corrente limitante, comparação de vazões e porosidades são exibidos. Apresenta-se resultados de tensão da célula comparando catalisadores, temperaturas iniciais e concentrações iniciais com dados experimentais encontrados na literatura.

The generation of energy is a subject in constant debate, be it referring to its efficiency and renewability or the emission of pollutants. In addition, energy consumption has grown over the years, and fossil fuels, which account for about 80% of the world’s energy generation, run the risk of becoming scarce. A technology with renewable characteristics that has proven to be promising and even more efficient than traditional power generators is the fuel cell, which fueled by ethanol makes the process clean and efficient. In this work, a two-dimensional numerical model is developed for fuel cells with proton exchange membrane fed by ethanol produced from biomass. The model takes into account the flow, the variation of the chemical species concentration, the temperature variation, the rate of passage of the ethanol through the membrane and the overpotential losses in the anode and the cathode. Numerical simulations are done using the finite element method for discretizations in space and the Crank-Nicolson method for discretizations in time. The overpotential losses of the cell are calculated using parameters (velocity, concentration and temperature) obtained with the numerical model. Results of flow, variation of species concentration and temperature, passage of ethanol through the membrane, limiting current density, flow rate and porosity comparison are shown. Results of cell voltage are presented comparing catalysts, starting temperatures and concentrations with experimental data found in the literature.