DEVELOPMENT OF A COMPUTATIONAL MODEL APPLIED TO A UNITARY 144 CM2 PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CEL

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo numérico computacional e respectiva metodologia para estudo e projeto de células a combustível a membrana polimérica trocadora de prótons PEM. Para a validação dos resultados experimentais, descreveu-se uma seqüência de rotinas de programação, adequadas ao ajuste dos dados obtidos em laboratório. Com relação à implementação computacional criou-se uma estratégia inovadora de acoplamento com dois modelos tridimensionais, de forma a satisfazer as exigências do modelo completo de célula a combustível, comportando suas diversas geometrias e materiais, assim como os diversos processos físicoquímicos simulados. Com a finalidade de avaliação eficaz da analogia da célula real com o modelo numérico, foram realizados estudos numéricos, comparações com valores obtidos na literatura, caracterização de variáveis por meio de experimentos laboratoriais e estimativas com base em modelos já estudados na literatura. Para a parte experimental, um protótipo de célula a combustível unitária de 144 cm2 de área geométrica foi projetado, produzido e operado em bancada com a finalidade de validação do modelo numérico computacional proposto, apresentando resultados positivos. Os resultados das simulações para as geometrias 2D e 3D propostas são apresentados em forma de curvas de polarização, destacando o modelo de camada catalítica baseado na geometria de aglomerados. Estudos paramétricos e de sensibilidade são apresentados como ilustração da variação do desempenho da célula a combustível estudada. O modelo final é robusto e útil como ferramenta de projeto e otimização de células tipo PEM em uma ampla faixa de condições de operação.This work presents the development of a numerical computer model and methodology to study and design polymeric exchange membrane fuel cell PEM. For the validation of experimental results, a sequence of routines, appropriate to fit the data obtained in the laboratory, was described. At the computational implementation it was created a new strategy of coupling two 3-dimensional models to satisfy the requirements of the comprehensive model of the fuel cell, including its various geometries and materials, as well as the various physical and chemical processes simulated. To effective assessment of the real cell analogy with numerical model, numerical studies were carried out. Comparisons with values obtained in the literature, characterization of variables through laboratory experiments and estimates from models already tested in the literature were also performed. Regarding the experimental part, a prototype of a fuel cell unit of 144 cm2 of geometric area was designed, produced and operated at laboratory with the purpose of validating the numerical computer model proposed, with positive results. The results of simulations for the 2D and 3D geometries proposed are presented in the form of polarization curves, highlighting the catalytic layer model based on the geometry of agglomerates. Parametric and sensitivity studies are presented to illustrate the change in performance of the fuel cell studied. The final model is robust and useful as a tool for design and optimization of PEM type fuel cells in a wide range of operating conditions