Geração e transporte de água em células a combustível com membrana de troca de prótons

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2011As células a combustível são dispositivos de conversão de energia capazes de operar com altas eficiencias gerando uma quantidade mínima de efluentes. Neste contexto, são apontadas como possíveis substitutas para os atuais geradores de pequeno e médio porte. Apesar de se ncontrar em um estágio tecnológico muito avançado, o uso de células a combustível em larga escala ainda é limitado devido à uma série de dificuldades de construção e operação. No caso das células com membrana de troca de prótons (PEMFCs), uma das principais dificuldades é o gerenciamento de água no interior da célula, pois para que a membrana possua uma alta condutividade ionica é necessário que uma grande quantidade de água esteja presente, porém, esta água pode condensar e bloquear os poros que permitem o acesso dos reagentes ao catalisador. Neste trabalho, utilizou-se um modelo matemático baseado em técnicas de fluido dinâmica computacional para avaliar a geração e o transporte de água no interior de uma PEMFC. Considerou-se dois casos distintos, sendo no primeiro alimentado ar úmido saturado ao cátodo e no segundo oxigênio puro saturado com água. Os dois casos foram validados através da comparação com dados experimentais apresentados na literatura. No primeiro caso, observou-se uma grande perda de desempenho para baixas tensões de operação devido à escassez de oxigênio na camada de catalisador. No segundo caso, onde uma quantidade muito maior de oxigenio ´e fornecida, este fen#omeno n#ao foi observado, de modo que a forma como a ´agua gerada ´e distribu´ýda varia significativamente entre os casos. Atrav´es dos resultados obtidos, determinou-se as taxas de consumo de reagentes e de forma¸c#ao e distribui¸c#ao de ´agua l´ýquida, sendo estes dados importantes para o desenvolvimento de sistemas de gera¸c#ao de energia utilizando c´elulas a combust´ývel. Al´em disso, as distribui¸c#oes de concentra¸c#ao e temperatura s#ao apresentados para diversos valores de temperatura e tens#ao de opera¸c#ao, atrav´es dos quais observou-se que a forma predominante de polariza¸c#ao afeta diretamente a distribui¸c#ao de energia e massa no interior da c´elula. Utilizando os resultados de forma¸c#ao de ´agua l´ýquida como condi¸c#ao de contorno, empregou-se o m´etodo de volume de fluido para avaliar a forma¸c#ao e o transporte de gotas de ´agua nos canais de escoamento. Em nenhum dos casos avaliados observou-se um grande ac´umulo de ´agua nos canais, por´em, pequenas regi#oes formadas pela coalescencia de diversas gotas surgiram na interface entre o canal e a camada de difus#ao, bloqueando o acesso dos reagentes a alguns poros. Al´em disso, o di#ametro m´edio dos poros mostrou-se um importante par#ametro na din#amica de forma¸c#ao e transporte das gotas.Fuel cells are energy conversion devices with the ability to operate efficiently and generate a minimum amount of byproducts. In this way, they are considered as possible and viable substitutes for small and medium generators used today, based mostly in the burn of fossil fuel. Despite the advanced technologic level achieved in the last years, the large-scale use of fuel cells is still limited by many construction and operation difficulties. For the proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) one of the main hindrance is the water management, since the electrolyte membrane needs a large amount of water inside the cell to have a high ionic conductivity and a over-saturation condition can induce to the pore blockage and restrict the reactant acesso to the catalatic layer. In this study, a mathematical model based on computational fluid dynamic technics was used to investigate the generation and transport of water inside a PEMFC, considering two different cases. In the first case, ambient air is fed to the cathode, while in the second case pure oxygen is fed. Both cases are validated by the comparison with experimental data found in literature. For the air-fed fuel cell a great performance loss is observed for small voltages due to the lack of oxygen at the catalatic layer. For the oxygen-fed cell this state is not observed, since a much larger amount of oxygen is provided to the system. Using the obtained results the reactant consume and liquid water generation rate and distribution were determined, configuring important data for the development of energy generation systems using fuel cells. Furthermore, the temperature and species concentration profiles are shown for several operation temperature and voltage values, from which can be determined that the predominant polarization form affects directly the energy and mass distribution. Using the results for liquid water generation as boundary condition, the Volume of Fluid method was used to evaluate the liquid droplets formation and transport along the flow channel. A large water accumulation was not observed in the cases considered, but small flooded regions, generated by the coalescence of many droplets, was observed at the flow channel - gas diffusion layer interface, causing the blockage of some pores. Moreover, the average pore diameter proved to be a key parameter in the dynamics of droplets generation and transport