Desenvolvimento de um modelo numérico computacional aplicado a uma célula combustível unitária de 144 CM&gt;sup&lt;2&gt;/sup&lt; tipo PEM

Robalinho, Eric

doi:10.11606/t.85.2009.tde-21082009-144637

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“…Na parte numérica foi utilizado um solver da COMSOL, o Multiphysics 4.3a modificado,Robalinho (2009), para resolver as equações de conservação, Verificou-se, nesse gráfico, que havia um ganho de potencial com o aumento da temperatura, ou seja, há uma melhora no desempenho da célula com a elevação da temperatura. Este efeito da melhora de desempenho com o aumento da temperatura também foi comprovado porBarbir (2005).…”

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Hidrodinâmica do escoamento nos canais catódicos de uma célula a combustível de membrana polimérica condutora de prótons

Skoda¹

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This work aims to study the regions of the cathode channels of a proton exchange membrane fuel cell-PEMFC, in which there is accumulation of water, this water flow patterns in the channels, as well as the operating conditions at which this occurs. This accumulated water in the cathode channels has two distinct origins, namely: 1. Water formed in the reaction of the oxygen reduction at the cathode catalytic site. 2. Water from the condensation formed due to the water vapor coming from the oxygen humidifier. The developed experimental setup allowed the perfect visualization of the phenomena, as it follows: starting with droplets that emerge from the cathode gas diffusion layer, then these droplets undergo a process of coalescence, increasing in size to form a film on the walls of the channels. Continuing this process, there is a thickening of the film with the formation of liquid water slugs, occupying the area of the oxygen passage in the channels. Blocking the passage of the oxygen through the slug of liquid water in the channel prevents oxygen from reaching the catalytic sites of the cathode catalyst layer, where the oxygen reduction reaction occurs. Thereby, the reaction is stopped, constituting one of the most serious problems of the proton exchange membrane fuel cell, since the cell performance is directly affected. Continuous formation of these slugs and their grouping is a phenomenon called flooding of the cell. The study of these phenomena inside the cathodic channel of a transparent prototype PEM fuel cell (the end of the cathode plate constructed of polycarbonate, which is a transparent material), with 5 cm ² geometric area, was used. The cell was fed with hydrogen fuel at the anode and with oxidant oxygen at the cathode. In the experiments, a range of temperatures varying from 25ºC to 55ºC was used. The maximum temperature of the cell was limited to 55ºC, once the polycarbonate starts to degrade with water at 60ºC, therefore not using temperatures between 70ºC and 90ºC, which are the operating temperatures of commercial PEM fuel cells. The flow rates of oxygen and hydrogen commonly used were, respectively, 60 mL min-1 and 100 mL min-1. The potential range varied from 0.1 V to 1.0 V. Anodic and cathodic electrodes, with platinum loading of 0.4 mg cm-2 , were used. The experimental results were compared with the numerical results in the form of polarization curves that measure cell performance, having good agreement with each other and, thereby, validating the numerical model used. The mathematical modeling of the cathode side, a COMSOL Multiphysics 4.3a commercial software was used, in which a switch function was implemented, which indicates the liquid / vapor equilibrium. Numerical results, as the distribution of saturation and the distribution of the water mole fraction, in a range of temperatures from 25ºC to 55ºC and potential of 0.1 V to 1.0 V, were obtained.

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Hidrodinâmica do escoamento nos canais catódicos de uma célula a combustível de membrana polimérica condutora de prótons

Skoda¹

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“…Fenômenos de transporte em uma célula a combustível do tipo PEM(Robalinho, 2009) ....................................................................................................... Figura 5.1 -Interface do software COMSOL ...................................................................... Figura 5.2 -Detalhe das camadas no modelo geométrico de placa serpentina ................... Figura 5.3 -Dimensões das seções transversais retangular (a), trapezoidal (b) e em degrau (c) .................................................................................................................... Figura 5.4 -Modelo geométrico de canal retangular ........................................................... Figura 5.5 -Modelo geométrico de canal trapezoidal ......................................................... Figura 5.6 -Modelo geométrico de canal em degrau .......................................................... Figura 5.7 -Configurações de canais serpentina (a) e interdigitada (b) utilizadas neste estudo ..........................................................................................................................…”

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Estudo da geometria de canais de fluxo em células a combustível tipo PEMFC utilizando fluidodinâmica computacional

Paulino¹

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Neste trabalho foram analisados diferentes parâmetros geométricos para canais de fluxo em células a combustível tipo PEMFC e sua influência no desempenho do sistema, utilizando a fluidodinâmica computacional. Na análise dos modelos matemáticos, verificou-se que o modelo de aglomerado inundado descreve com maior fidelidade o comportamento de células a combustível, enquanto as equações de Butler-Volmer não consideram as perdas por transporte de massa. Foram avaliadas as seções transversais retangular, trapezoidal e em degrau. O modelo com canais de seção retangular apresentou desempenho elétrico ligeiramente superior, porém os canais com seção trapezoidal propiciam um melhor gerenciamento de água. Em todos os aspectos estudados, os canais com seção em degrau se comportaram de forma análoga aos canais com seção trapezoidal, porém sua construção é menos complexa. Também foram analisadas as configurações serpentina e interdigitada em células de 5 cm², e sua influência na uniformidade da densidade de corrente. Não foram observadas diferenças significativas quanto à eficiência elétrica entre células com as duas configurações. A configuração interdigitada propiciou distribuição mais uniforme de geração de corrente, pois os reagentes são fornecidos em alta concentração por uma maior área da célula. Assim, esta configuração é preferível para aumento de escala.

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Desenvolvimento de um modelo numérico computacional aplicado a uma célula combustível unitária de 144 CM>sup<2>/sup< tipo PEM

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Hidrodinâmica do escoamento nos canais catódicos de uma célula a combustível de membrana polimérica condutora de prótons

Hidrodinâmica do escoamento nos canais catódicos de uma célula a combustível de membrana polimérica condutora de prótons

Estudo da geometria de canais de fluxo em células a combustível tipo PEMFC utilizando fluidodinâmica computacional

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