Modelagem computacional e análise do comportamento de células a combustível de membrana polimérica em regime estático e dinâmico de carga

Modelagem computacional e análise do comportamento de células a combustível de...

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MARÇO 2005

Dissertação apresentada por Rodolfo Antonio Costa à Universidade Federal de Uberlândia para a obtenção do título de Mestre em Ciências, aprovada em 18 de março de 2005 pela seguinte banca examinadora:

Prof. José Roberto Camacho, Ph.D. (orientador - UFU) Prof. Sebastião Camargo Guimarães Jr., Dr. (UFU) Prof. Carlos Henrique Salerno, Dr. (UFU) Antonio César Ferreira, Dr. (UNITECH)

UBERLÂNDIA 2005

Dissertação apresentada por Rodolfo Antonio Costa à Universidade Federal de Uberlândia como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Ciências.

Prof. José Roberto Camacho, Ph.D. Prof. Gilberto Arantes Carrijo, Dr.

Orientador Coordenador do Curso de Pós-Graduação

DEDICATÓRIA

A minha família, Lia, Thiago e Gabriella.

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. José Roberto Camacho, orientador acadêmico, pelo apoio e paciência dispensada durante a execução deste trabalho. Às Faculdades Unificadas da FEB nas pessoas do seu vice-diretor geral Prof. Olívio Carlos do Nascimento Souto e do coordenador do curso de engenharia elétrica Prof. Sérgio Ricardo de Jesus Oliveira pela confiança depositada.

Ao Sr. Antonio César Ferreira, pelas discussões técnicas e pela permissão de acesso aos laboratórios da UNITECH, colaborações estas inestimáveis para a execução deste trabalho.

RESUMO

O objetivo deste trabalho é fornecer informações sobre o desempenho dinâmico e estático da Célula de Combustível de Membrana Polimérica (PEMFC). Com esta filosofia de estudo, foi desenvolvida uma ferramenta auxiliar que modela a célula de combustível considerando seus parâmetros construtivos e operacionais, com a intenção de inserir um grau de certeza para o projetista, e melhorar os projetos de controle de um protótipo antes destes serem montados.

Neste trabalho os aspectos mais importantes deste novo equipamento para gerar eletricidade foram cuidadosamente estudados e implementados em computador de forma a simular seus comportamentos estático e dinâmico quando sob a influência de uma variação de carga. A pesquisa completa envolveu o trabalho de obter dados sobre os princípios teóricos eletroquímicos envolvidos e os princípios de operação da célula de combustível com membrana polimérica. A partir disso, uma simulação computacional foi construída e finalmente são apresentados os resultados do desempenho estático e dinâmico do modelo.

Palavras-chave⎯ Célula de combustível, geração distribuída, membrana polimérica, estudos dinâmicos.

ABSTRACT

vii

The aim of this work is to give a feedback to the industry on the dynamic and static performance of the PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell / Proton Exchange Membrane Fuel Cell). This philosophy of study is an aid tool that models the fuel-cell to give confidence to the designer and to improve controls on a new prototype before they are assembled.

In this work the most important aspects of this new device, used to generate electricity, were carefully studied and implemented in a computer in order to simulate its static and dynamic models when under the influence of a load change. The complete research involved the work to obtain design data, the operating principles for the PEMFC fuel-cell, a computer simulation was also built and finally results of the static and dynamic performance of the model are presented.

Keywords - Fuel-cell, distributed generation, polymer membrane, dynamic studies.

SUMÁRIO
LISTA DE FIGURASx
LISTA DE TABELASxiii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIMBOLOSxiv
CAPÍTULO I - INTRODUÇÃO01
CAPÍTULO I - FUNDAMENTOS SOBRE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL03
2.1 Princípio geral de funcionamento de células a combustível03
2.2 Tipos de células a combustível04
2.3 Estado atual da tecnologia das células a combustível08
2.3.1 Unidades automotoras08
2.3.2 Unidades portáteis09
2.3.3 Unidades estacionárias1
2.3 Desenvolvimento Tecnológico de Células a Combustível no Brasil1
CAPÍTULO I - DADOS CONSTRUTIVOS DAS CÉLULAS PEMFC16
3.1 Introdução16
3.2 Princípio de funcionamento das células PEMFC17
3.2.1 Pilha de combustível18
3.3 Estrutura da célula PEMFC20
3.3.1 Membrana polimérica21
3.3.2 Eletrodo de difusão gasosa2
3.3.3 Integração membrana / eletrodos2
3.3.4 Suportes Difusores de Gás23
3.3.5 Placas Separadoras23
3.3.6 Células de Refrigeração24
CAPÍTULO IV - PROCESSOS INTERNOS DAS CÉLULAS PEMFC25
4.1 Semi-reações internas da célula PEMFC25
4.2 Perfil de potenciais elétricos internos da célula PEMFC29
CAPÍTULO V - PRINCÍPIOS OPERACIONAIS DAS CÉLULAS PEMFC32
5.1 Introdução32
5.2 Grandezas operacionais elementares32
5.2.1 Corrente elétrica operacional3
5.2.2 Temperatura de operação34
5.2.3 Transporte dos gases34
5.3 Células PEMFC em regime estático de carga35
5.3.1 Tensão de circuito aberto ou tensão ideal38
5.3.2 Perdas por ativação39
5.3.3 Perdas por resistência ôhmica41
5.3.4 Perdas por concentração42
5.4 Células PEMFC em regime dinâmico de carga43
5.4.1 Efeito de dupla camada45
5.5 Gerenciamento de massas e energético na célula PEMFC47
5.5.1 Consumo de hidrogênio e sua estequiometria47
5.5.2 Consumo de oxigênio ou ar e sua estequiometria49

viii 5.5.3 Concentração do gás hidrogênio no ânodo . . . . . . . . . . . . . 51

5.5.4 Concentração do gás oxigênio no cátodo53
5.5.5 Produção de calor54
5.5.6 Eficiência máxima e eficiência operacional5
5.6 Gerenciamento hídrico da célula PEMFC58
5.7 Contaminação por monóxido de carbono (CO)59
CAPÍTULO VI - MODELAGEM MATEMÁTICA DA CÉLULA PEMFC60
6.1 Introdução60
6.2 Influência das variáveis operacionais60
6.2.1 Tensão de circuito aberto61
6.2.2 Perdas por ativação no cátodo62
6.2.3 Perdas por ativação no ânodo63
6.2.4 Resistência ôhmica da membrana polimérica65
6.2.5 Resistência ôhmica dos eletrodos, difusores e placas6
6.2.6 Perdas por concentração no cátodo6
6.2.7 Perdas por concentração no ânodo67
6.3 Transitório de tensão em circuitos RC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
CAPÍTULO VII - ANÁLISE COMPORTAMENTAL DA CÉLULA PEMFC69
7.1 Metodologia e dispositivos utilizados69
em substituição ao oxigênio puro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.3 Influência da temperatura de operação76
7.4 Influência dos valores de pressão de alimentação dos gases82
7.5 Influência das estequiometrias dos gases de alimentação86
7.6 Influência dos valores de umidade relativa dos gases de alimentação87
7.7 Análise do transitório89
CAPÍTULO VIII - CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA FUTUROS
TRABALHOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.1 Conclusões95
8.2 Sugestões para futuros trabalhos96
BIBLIOGRAFIA98

ix 7.2 Análise da utilização de ar atmosférico ANEXO I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Esquema genérico de uma célula a combustível03
Figura 3.1 – Esquema de uma célula a combustível PEMFC17
de membrana polimérica19
Figura 3.3 – Célula a combustível PEMFC20
Figura 3.4 – Esquema de montagem de uma pilha PEMFC20
Figura 3.5 – Estrutura química da membrana Nafion®21
Figura 4.1 – Reações internas da célula PEMFC26

Figura 3.2 – Foto e vista expandida de uma pilha combustível

em condições ideais e CNTP30

Figura 4.2 – Perfil de potenciais internos a célula PEMFC

em condições ideais e reais em CNTP31
Figura 5.1 – Esquema elementar típico de operação de uma pilha PEMFC3
Figura 5.2 – Curva de polarização típica de uma célula PEMFC36
Figura 5.3 – Perdas típicas em uma célula PEMFC37
Figura 5.4 – Circuito elétrico simplificado de uma célula PEMFC43

Figura 4.3 – Comparativo de potenciais internos a célula PEMFC

valor de tensão em circuitos RC4
Figura 5.6 – Modelo simplificado da dupla camada46

Figura 5.5 – Curvas do transitório da alteração do Figura 5.7 – Curvas típicas de eficiência e potência em uma célula PEMFC. . 57

Figura 7.1 – Curvas típicas de tensão e potência do protótipo 171
Figura 7.2 – Curvas típicas de tensão e potência do protótipo 272
Figura 7.3 – Curvas típicas de tensão e potência do protótipo 373
otimizadas com oxigênio puro e ar atmosférico74

Figura 7.4 – Comportamento da célula PEMFC em condições

de alimentação entre oxigênio puro e ar atmosférico75

Figura 7.5 – Perdas por ativação e perdas ôhmicas no comparativo

de alimentação entre oxigênio puro e ar atmosférico76

Figura 7.6 – Perdas por concentração no comparativo

da temperatura de operação7
Figura 7.8 – Perdas por ativação em função da temperatura de operação78
Figura 7.9 – Perdas ôhmicas em função da temperatura de operação79

Figura 7.7 – Comportamento da célula PEMFC em função

em função da temperatura de operação81

Figura 7.10 – Perdas por concentração no cátodo

em função da temperatura de operação81

Figura 7.1 – Perdas por concentração no ânodo

pressão dos gases de alimentação82

Figura 7.12 – Comportamento da célula PEMFC em função da

pressão dos gases de alimentação83

Figura 7.13 – Perdas ôhmicas em função da

pressão dos gases de alimentação84

Figura 7.14 – Perdas por ativação em função da

pressão dos gases de alimentação85

Figura 7.15 – Perdas por concentração no cátodo em função da

pressão dos gases de alimentação85

Figura 7.16 – Perdas por concentração no ânodo em função da

Figura 7.17 – Comportamento da célula PEMFC em função das estequiometrias dos gases de alimentação . . . . . . . . . . . . 87 xii

umidades relativas dos gases de alimentação8

Figura 7.18 – Comportamento da célula PEMFC em função das

dos gases de alimentação89
Figura 7.20 – Comportamento transitório típico do protótipo 390

Figura 7.19 – Perdas parciais em função das umidades relativas

diferentes faixas de densidades de corrente92

Figura 7.21 – Comparativo do transitório relacionado a

Figura 7.2 – Comparativo do transitório relacionado a situações distintas com mesma resposta de tensão em regime estático de carga . . 93

LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Principais tipos de células a combustível07

xiii

da célula PEMFC30
Tabela 6.1 – Espessuras típicas das membranas Nafion®65

Tabela 4.1 – Potenciais elétricos das reações parciais internas

Combustível69
Tabela 7.2 – Características construtivas do protótipo 170
Tabela 7.3 – Características construtivas do protótipo 271

Tabela 7.1 – Valores padrões adotados para a alimentação das células a Tabela 7.4 – Características construtivas do protótipo 3 . . . . . . . . . . . . 72

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

xiv

PEMFC - Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell / Proton Exchange Membrane Fuel Cell;

DAFC - Direct Alcohol Fuel Cell;

AFC - Alkaline Fuel Cell;

PAFC - Phosphoric Acid Fuel Cell;

MCFC - Molten Carbonate Fuel Cell;

SOFC - Solide Oxide Fuel Cell;

MEA - Membrane Electrode Assembly;

CNTP - Condições Normais de Temperatura e Pressão (25ºC e 1atm); A - área útil da célula (cm2);

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