Análise de eficiência energética de eletrolisador de hidrogênio alimentado por forças capilares

Abstract

O trabalho realiza a modelagem matemática de um eletrolisador de hidrogênio alimentado por capilaridade, validado por resultados experimentais disponíveis na literatura, e estabelece um algoritmo para analisar a sua eficiência. É realizada a identificação de parâmetros livres do modelo de bombeamento capilar e da eletrólise, juntamente com a avaliação do impacto que essas variáveis ocasionam à eficiência energética do sistema. Constata-se que membranas de polietersulfona mais espessas e com tamanhos de poros maiores, acima de 8 𝜇𝑚, apresentam maior capacidade de bombeamento. Como há um limite da densidade de corrente de 1 𝐴 𝑐𝑚2 ⁄ para que o processo de eletrólise não incorra em ineficiências causadas pela geração de bolhas, constata-se que membranas de até 140 𝜇𝑚 de espessura com 8 𝜇𝑚 de tamanho de poros são suficientemente capazes de suprir continuamente eletrólito de KOH a 27% de concentração em massa ao processo. Membranas mais espessas e com tamanho de raios de poros maiores poderiam ser usadas caso fosse necessário construir células de hidrogênio com altura maior do que 18 𝑐𝑚. A eficiência energética da célula de hidrogênio varia de 95,15% a 100,69%, cujo pico ocorre na temperatura de operação de 84ºC e com uma densidade de corrente de 0,47 𝐴/𝑐𝑚2.

This work establishes a mathematical model of a capillary-fed electrolyzer validated using data available in the literature and creates an algorithm to perform analysis based on energy efficiency. The identification of free parameters that act as input to the capillary pump and the hydrogen electrolysis is performed and the impact of change in these variables on the energy efficiency of the hydrogen cell is evaluated. It is found that thicker polyethersulfone membranes with larger pore sizes, bigger than 8 𝜇𝑚, show greater pumping capacity. Since there is a known current density limit of 1 𝐴/𝑐𝑚2 to ensure that the electrolysis process does not incur in higher inefficiencies caused by the production of bubbles, it is found that membranes with thickness of up to 140 𝜇𝑚 and with 8 𝜇𝑚 pore size are sufficiently capable of continuously supplying 27 wt% KOH electrolyte to the process. Thicker membranes with larger sized pores can be used if it is necessary to build a hydrogen cell with a height greater than 18 𝑐𝑚. The energy efficiency for the hydrogen cell ranges from 95,15% to 100,69% and the peak value occurs at an operating temperature of 84ºC and at a current density of 0.47 𝐴/𝑐𝑚2.