Análise e desenvolvimento de modelo de transporte de massa visando a aplicação em células a combustível tipo PEM

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2012O atual cenário mundial na área de energia demanda o desenvolvimento tecnológico de alternativas sustentáveis, e de menor impacto ambiental. O uso eficiente de fontes de energia renováveis para a produção de energia elétrica em sistemas descentralizados e isolados, bem como para o setor de mobilidade, destaca-se como um ingrediente capaz de mitigar a agressão ambiental dos sistemas de energia. A célula a combustível é um dispositivo eletroquímico que converte diretamente a energia interna de ligação química de combustíveis em energia elétrica e calor com alta eficiência global, ausência de ruído e emissões. O elevado custo de desenvolvimento destes sistemas sugere que estratégias que combinem medições e previsões teóricas apresentem a maior chance de atingir os desenvolvimentos necessários. O principal objetivo da presente tese é desenvolver uma teoria para o transporte de massa em uma célula a combustível tipo PEM a partir de uma análise fenomenológica com base nos fundamentos do transporte de massa multicomponente, multifásico em meios porosos. O modelo tem por objetivo prever o comportamento do transporte elétrico e de massa com uma formulação adequada. Para este fim, foram revisadas as escalas de comprimento característicos dos diferentes componentes e fenómenos dentro da célula a combustível visando determinar as relações entre os processos termodinâmicos, eléctricos e eletroquímicos em uma célula de combustível tipo PEM. Foi revisada a grande quantidade de informações sobre teoria, modelagem e simulação da célula a combustível tipo PEM, a fim de classificar os diferentes modelos, ressaltar sua aplicabilidade e definir as necessidades de melhoria. A curva de polarização de um sistema de célula de combustível foi medida com o objetivo de identificar os fenómenos que controlam o transporte e a fenomenologia química, avaliar a aplicabilidade dos modelos globais disponíveis e determinar a ordem de grandeza dos parâmetros característicos globais da operação da célula de combustível. Então, foram revisadas as teorias fundamentais de transporte de massa e carga em duas fases, em fluxo multicomponente em meios porosos, focando na base do continuo e da termodinâmica para o tratamento de Maxwell-Stefan do transporte de massa. Finalmente, foi proposto um modelo fenomenológico geral para transferência de massa e carga aplicável às células a combustível tipo PEM. O modelo foi comparado com outros modelos da literatura e alguns problemas mais simples fundamentais foram resolvidos.<br>Abstract : The present world energy scenario requires the development of alternative and sustainable energy sources and conversion systems that also result in an overall smaller impact in the environment. The efficient use of renewable energy sources for the production of electrical power in decentralized and isolated systems, as well as for the mobility sector, stands out as a possible ingredient to mitigate the environmental aggression from energy systems. Fuel cells are electrochemical devices that convert internal energy of chemical bond in electricity and heat power in an efficient, noiseless and lower emissions form. The relative high cost of system development suggests that a combined measurement, theoretical and simulation effort is the way to achieve the required breakthroughs. The main objective of the present thesis is to develop a theory for mass transport in a PEM fuel cell from a phenomenological analysis based on the fundamentals of the multicomponent, multiphase mass transport in porous media. The model aims at predicting the electric and mass transport behaviors with a formulation suitable for solution with current computational resources. To this end, the characteristic length scales of the different components and phenomena within the fuel cell were revised aiming at determining the relations between thermodynamic, electric and electrochemical processes in a PEM fuel cell. The vast amount of information on PEM fuel cell theory, modeling and simulation was reviewed with a view to classify the different models, point out their applicability and define the needs for further improvements. The polarization curve for a fuel cell system was measured with the purpose of identifying the controlling transport and chemical phenomena, assess the applicability of the available lumped models and to determine the orders of magnitude of global parameters characteristic of the fuel cell operation. Then, the fundamental theories of mass and charge transport in two-phase, multicomponent flow in porous media were reviewed, focusing on the continuum and thermodynamic basis for the Maxwell-Stefan treatment of mass transport. Finally, a general phenomenological model for mass and charge transfer applicable to PEM fuel cells was proposed, compared to other models from the literature and a few simpler fundamental problems were solved