Mestrado em Engenharia do AmbienteO presente trabalho teve como objetivo o estudo de modelação de uma célula
de combustível com injeção direta e passiva de etanol operando em condições
ambientais. Este estudo foi desenvolvido tendo em conta a importância
crescente dos sistemas com alimentação direta e passiva de etanol como
solução para as aplicações portáteis.
No decurso deste trabalho, foi desenvolvido um modelo matemático para a
célula passiva, em estado estacionário e a uma dimensão, incorporando o
transporte de calor e massa bem como as reações eletroquímicas que ocorrem
no ânodo e no cátodo da célula de combustível. Este modelo simplificado pode
ser rapidamente implementado usando métodos numéricos simples existentes
no Excel, e reproduz de modo satisfatório os dados experimentais obtidos.
Neste trabalho, foi também desenvolvida uma instalação laboratorial para
determinação experimental das curvas de polarização e de potência da célula.
Para esse fim, foi concebida e construída uma célula com uma área ativa de
25 cm2. Um estudo experimental detalhado para a célula passiva operando sob
condições ambientais é apresentado nesta tese.
As previsões do modelo foram comparadas com os resultados experimentais e
verificou-se uma grande concordância entre ambos. Deste modo, o
funcionamento da célula de combustível com injeção direta e passiva de etanol
foi explicado à luz das previsões do modelo para o atravessamento de metanol
e de água através da membrana.
O efeito das condições de operação (tais como a concentração de etanol na
alimentação ao ânodo e a densidade de corrente), bem como de parâmetros
de configuração (materiais que constituem as camadas de difusão e espessura
da membrana polimérica), no desempenho da célula foi estudado
detalhadamente, e as previsões do modelo reproduziram satisfatoriamente os
resultados obtidos.
Dada a escassa informação existente sobre este tema na literatura atual, os
resultados obtidos neste estudo são de elevado interesse e apresentam
grande importância para o futuro desenvolvimento de células de combustível
com injeção direta e passiva de etanol.Bearing in mind that the passive feed Direct Ethanol Fuel Cell (DEFC) systems
emerge as a solution for portable applications, the main objective of this thesis
was the modelling study of a passive feed DEFC working under ambient
conditions.
A steady state, one dimensional and non-isothermal model was developed,
accounting for coupled heat and mass transfer processes along with the
electrochemical reactions occurring in the fuel cell. This simplified model was
rapidly implemented using simple numerical tools as Excel, and reproduced
with satisfactory accuracy the experimental data.
An experimental set-up was implemented in order to determine the cell
polarization and power density curves. For the experimental studies, an “inhouse”
passive feed DEFC with an active area of 25 cm2 was designed, and a
detailed experimental characterization of the cell working under ambient
conditions was performed.
The model predictions were compared with the experimental results, and a very
successful accuracy was found. Therefore, the experimental results could be
explained under the light of the model predictions concerning both ethanol and
water crossover.
Moreover, the effect of operating conditions (ethanol feed concentration and
current density) and design parameters (anode diffusion layer material and
thickness, anode catalyst loading and membrane thickness) on the fuel cell
performance was intensively investigated. The model proved to predict
accurately the trends of the effect of the different parameters on both ethanol
and water crossover, and subsequently on the cell performance.
Given the lack of information concerning this issue in the actual literature, the
results achieved in this work provide very interesting and useful information for
the future development of passive DEFCs
