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Tese de Doutorado
Documento
Autor
Nome completo
Otávio Beruski
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2017
Orientador
Banca examinadora
Perez, Joelma (Presidente)
Gioria, Rafael dos Santos
Sitta, Elton Fabiano
Cunha, Edgar Ferrari da
Sousa Junior, Ruy de
Título em português
Simulação e modelagem de células a combustível de membrana de troca protônica
Palavras-chave em português
célula a combustível
convecção
modelagem
simulação
transporte em meio poroso
Resumo em português
Foram estudados dois sistemas referentes à células a combustível de membrana de troca protônica através de modelos computacionais. Um protótipo de célula foi utilizado para o estudo da dinâmica de fluidos, tendo sido utilizados resultados cedidos para a validação da formulação do escoamento e posterior quantificação da contribuição do mesmo no transporte de espécies nos meios porosos. Este mesmo sistema foi explorado quanto à geometria dos canais de escoamento, sendo possível estabelecer uma hierarquia de perda por sobrepotencial de concentração em função da estequiometria do reagente. Obteve-se que, para as estequiometrias recomendadas em uma célula real, os melhores desempenhos seriam atingidos por geometrias de serpentina simples e serpentina dupla, ou tripla, para o ânodo e cátodo, respectivamente. Uma célula completa também fora estudada, sendo comparada a resultados experimentais obtidos localmente. Foi observado que o modelo utilizado apresenta boa concordância com os aspectos globais do dispositivo real, enquanto que os aspectos locais são largamente mal representados pelo modelo computacional. Este modelo também fora utilizado para quantificar a contribuição do transporte convectivo na distribuição de reagentes, corroborando e estendendo os estudos realizados com o protótipo de célula. Em suma, são sugeridas as possibilidades e desafios de se utilizar modelos computacionais para células a combustível e sistemas similares, neste caso estabelecendo a conexão entre um protótipo e um dispositivo real.
Título em inglês
Simulation and Modeling of Proton-exchange Membrane Fuel Cells
Palavras-chave em inglês
convection
fuel cell
modeling
simulation
transport in porous media
Resumo em inglês
Two systems related to proton-exchange membrane fuel cells were studied through computational models. A cell prototype was used to study fluid dynamics, where the fluid flow formulation was validated against provided experimental results, being later used to quantify its contribution to species transport in the porous media. This same systems was explored regarding its flow channel geometry, where it was possible to establish a hierarchy relative to the concentration overpotential loss as a function of the reactant stoichiometry. It was obtained that, for the recommended stoichiometries for a real cell, the best performance would be attained by a single serpentine and a double, or triple, serpentine geometries for the anode and cathode, respectively. A full cell was also studied, being compared against experimental results obtained locally. It was observed that the model shows good agreement with the global aspects of the real device, while the local aspects are widely misrepresented. This model was also used to quantify the contribution of convection to reactant distribution, corroborating and extending the studies performed with the cell prototype. In all, the possibilities and challenges concerning the use of computational models with fuel cells and similar systems are suggested, particularly by establishing the connection between a prototype and a real device.
 
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Data de Publicação
2017-10-27
 
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