improvements in fuel economy and emissions of these vehicles directly depend on the type and operating
point of the APU. These improvements should not only concern reducing operating and maintenance
costs, but also emissions and noise. Improving an APU is, therefore, an important issue for all those directly
or indirectly associated with an airport.
This work deals with a High-Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell (HT-PEMFC) APU system
used as a case study and suggested as a more sustainable alternative for the Airbus A320. Consequently,
there are three main goals for this work, where the study and implementation of operational measures in
a software tool using MATLAB is the key to accomplishing them.
The first objective is to analyze several parameters of a HT-PEMFC, in order to predict the behavior of
the fuel cell as a stack. In addition, since the operation of the stack depends on the fuel supplied to the
system, which in this case is methane, and that methane cannot be directly fed to the HT-PEMFC, a previous
fuel process is necessary. Therefore, Methane Steam Reforming and Water Gas Shifting processes are
implemented to produce a hydrogen-rich gas with a low percentage of carbon monoxide. The maximum
output power of this methane-supplied system is estimated at 250 kW for an operating temperature of
180ºC under 1.5 atm of pressure. The overall energy and exergy efficiencies achieved for this system are
41.29 % and 39.95 %, respectively.
The second objective is to perform the thermodynamic analysis of HT-PEMFC APU based on the first
and second laws of thermodynamics. The mass, energy, entropy, and exergy balance equations are written
and applied to the system and its components. The irreversibilities occurring in different devices of
the integrated system are investigated through the exergy destruction analysis in those units. The units
with the most significant exergy destruction are associated with the chemical reactions that occur in them.
The ultimate goal is to find the breakeven weight between the additional weight of the HT-PEMF proposed
system and the fuel saved due to higher efficiency of the system. Moreover, it compares the emissions of
the conventional APU and the HT-PEMFC systems, during a flight from Porto to Frankfurt carried out by
an Airbus A320.
Finally, the results of this research are very encouraging, and even though its fuel consumption saving
potential is unlikely to be achieved in a real-world scenario due to the nature and unpredictability of air
traffic, it is an attractive solution for countries facing ever stronger legislation to ensure cleaner air and a
more sustainable future.Uma Unidade Auxiliar de Energia (APU) é um sistema bastante utilizado na produção de energia elétrica
em aeronaves. Alcançar melhorias na economia de combustível desses veículos depende diretamente do
tipo e do ponto de operação da APU. Essas melhorias devem estar focadas não só na redução dos custos
de operação e manutenção, mas também na redução ou até mesmo eliminação de emissões e ruídos. A
evolução de uma APU é, portanto, uma questão importante para todos aqueles que direta ou indiretamente
estão associados a um aeroporto.
Este trabalho aborda um sistema APU de uma célula de combustível de membrana polimérica de troca
protónica de alta temperatura (HT-PEMFC) usado como caso de estudo e sugerido como uma alternativa
mais sustentável para o Airbus A320. Por conseguinte, existem três objetivos principais para este trabalho,
onde o estudo e a implementação de medidas operacionais de uma ferramenta de software através
do MATLAB é a chave para realizá-las.
O primeiro objetivo é analisar vários parâmetros de um HT-PEMFC, a fim de prever o comportamento
da célula. Além disso, uma vez que a operação da pilha depende do combustível fornecido ao sistema,
que neste caso é o metano, e que este não pode ser diretamente alimentado ao HT-PEMFC, é necessário
o processamento do combustível. Para isso é feita uma Reforma de Metano a Vapor e uma Reação de
Deslocamento de Água a fim de produzir um gás rico em hidrogénio e com uma baixa percentagem de
monóxido de carbono. A máxima potência de saída deste sistema fornecido com metano é estimado em
250 kW para uma temperatura de operação da célula de 180? e sob uma pressão de 1.5 atm. As eficiências
globais de energia e exergia alcançadas para este sistema são de 41.29 % e 39.95 %, respetivamente.
O segundo objetivo é realizar a análise termodinâmica do sistema HT-PEMFC APU baseada na primeira e
segunda leis da termodinâmica. As equações de balanço de massa, energia, entropia e exergia são escritas
e aplicadas ao sistema e a cada um dos seus componentes. As irreversibilidades ocorridas nas diferentes
unidades do sistema integrado são investigadas através da análise de exergia destruída nessa unidade.
Deste modo, as unidades com maior destruição exergética estão associadas às reações químicas que nelas
sucedem.
O último objetivo tem como função encontrar o ponto de equilíbrio entre o aumento de peso do sistema
proposto (HT-PEMFC APU) e o combustível economizado devido à sua maior eficiência. Visa ainda comparar
as emissões de gases de escape entre os dois sistemas, para um mesmo voo realizado por um Airbus
A320 entre Porto e Frankfurt.
Finalmente, os resultados desta pesquisa são muito encorajadores, e mesmo que o seu potencial de economia
seja improvável de ser alcançado num cenário real devido à natureza e imprevisibilidade do tráfego
aéreo, é uma solução atraente para países que enfrentam uma legislação cada vez mais forte e, deste modo,
garantir um ar mais limpo e um futuro mais sustentável
