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

Abstract

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.

This work presents the development of a two-dimensional non-isothermal model for Direct Ethanol Fuel Cells (DEFC), which simulates the internal flow of the cell, mass transport resistance, overpotential losses, and operating voltage. The model is based on the Navier-Stokes equations and integrates equations to calculate overpotential losses due to activation, ohmic resistance, and concentration, factors that impact the cell’s performance. The variation in the concentration of chemical species on the catalyst surface is considered to estimate the losses and calculate the cell’s operating voltage based on the established initial conditions. The discretization of the equations was performed using the finite difference method. The integration of velocities was done via the simplified Runge-Kutta method and the pressure was updated via the iterative Gauss-Seidel method. The model’s validation was carried out by comparing the results with experimental data from the literature, showing good agreement, especially regarding the molar fractions of the involved chemical species. Ethanol at the anode and oxygen at the cathode exhibit expected behaviors, with the oxidation and reduction reactions matching the experimental results. Although the model is effective, it presents some limitations, such as the simplification of chemical reactions and the assumption of ideal operating conditions, which may not accurately reflect real variables, such as temperature and membrane humidity control. The model also assumes a uniform membrane, which may not adequately represent systems with non-ideal or variable membranes. The performance of the DEFC is analyzed in terms of membrane choice, operating voltage, temperature, and generated power, highlighting the importance of improving ionic conductivity and reducing ethanol crossover to increase efficiency. The study contributes to understanding the performance of The study contributes to understanding the performance of DEFCs, focusing on the application of these cells in clean and sustainable energy systems, such as electric vehicles and stationary power sources. The analyses indicate that controlling operating temperature and selecting appropriate membranes can optimize DEFC efficiency and power. This work not only expands knowledge of DEFC behavior but also suggests future directions for optimizing technologies, aiming for their application in broader and more sustainable energy systems.