Modelação de Célula de Combustível funcionando com Hidrogénio

Dissertação Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica, 2010

Methanol steam reforming has been characterized using different catalyst formulas and reformers, in order to provide fuel cell grade hydrogen. A bench station has been developed in order to accommodate all the inherent steam reforming equipment. Several catalyst formulations with copper and zinc oxide developed by IST have been tested and compared to a commercial catalyst from Sud-Chemie, Shiftmax 230. An automated injection system has been developed for chromatographic analysis that controls the peristaltic pump that carries the reactant and the vaccum pump that cleans the sampling loop using data acquisition devices from National Instruments and Labview 8,5 Software. Temperature profiles have been along the reformer axix have been taken in order to calculate the amount of heat transfer to the reaction mechanism. The catalyst from Sud-Chemie has proven to be the most active and selective with methanol conversion rates of 100 % and selectivities of 100 %, able to produce a hydrogen flow with an equivalent power of 400W.

2017

Resumo: A identificação de sistemas dinâmicosé umaárea, em franca expansão, que utiliza inúmeras ferramentas matemáticas para alcançar seus objetivos. Uma das formas de identificaçãoé a técnica nebulosa (fuzzy), a qual foi utilizada para obter uma aproximação de dados reais gerados por um software simulador de uma célula a combustível de hidrogênio. O processo de identificacação do sistema dinâmicoé feito através de uma clusterização fuzzy dos dados de entrada, utilizando o algoritmo de Gustafson-Kessel, para imediatamente aplicar o método de inferência de Takagi e Sugeno (TS). Os testes de identificação e validação obtem excelentes resultados em termos de "variance accounted for" (VAF), medida utilizada de proximidade estatística. Os resultados comprovam que a técnica difusaé uma promissora ferramenta para identificação de sistemas dinâmicos não-linerares. Palavras-chave: Identificação de sistemas, método de Takagi e Sugeno, fuzzy clustering, células a combustível de hidrogênio.

Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica, 2010

In the present work describes characterization of a fuel cell and monitoring of individual cell of 1 kW PEM self humidified with 24 cells. A bench test station has been restructured to operate fuel cells PEM with thermal control by coolant. This bench test station allows monitoring and recording of various parameters, among which are the temperature, pressure, coefficient of excess air, current, current density of the segmented areas, voltage, individual cell voltage, efficiency and control of the humidification of the proton exchange membrane. The stack was operated with pure hydrogen (H2) and air with and without addition of water flow, the fluid of thermal regulation was deionized water, the supply of hydrogen in closed circuit with periodic purges. The acquisition and monitoring of all parameters were made through a program developed in LabVIEW 8.5 platform and the data was calculated in VBA in Excel 2007. It was noted the need to operate the cell with the addition of water flow so that the operation is performed with the ideal membrane humidification, improving overall performance. The fuel cell has reached peak performance at 50 º C operating temperature measured at the air with a pressure of 300 mbar, with the addition of water flow, with a coefficient of excess air of 3. The current density for maximum power current displays heterogeneity along the canals of the reagent, due to the influence of operating temperature, humidification of the membranes, pressure and coefficient of excess air. The dilution of nitrogen in the air in the cell operation reduces the system current limit. The maximum electrical efficiency of 42.4% was achieved with the current of 31 A.

Neste trabalho é analisado um sistema híbrido que contém uma Célula de Combustível de Óxido Sólido (SOFC) e é aplicado um ciclo combinado utilizando turbina a gás para uma produção racional e descentralizada de energia. São mostrados os conceitos relativos a esta célula, análises químicas e técnicas como a mudança da energia livre de Gibbs por oxidação isotérmica do combustível estudado diretamente em eletricidade. Isto representa uma grande fração do poder calorífico inferior (PCI) de um combustível. Em um próximo passo é desenvolvida uma metodologia para o estudo da SOFC e da turbina a gás, para a produção de eletricidade e vapor para o Hospital das Clínicas do Barão Geraldo (Campinas -SP). Esta metodologia é aplicada para a análise energética. O combustível utilizado é o gás natural. Um diagrama de Sankey destaca que o sistema híbrido composto pela SOFC é uma boa oportunidade para a descentralização da produção de energia no Brasil. Para isto, é necessário considerar que a cogeração também é um boa alternativa técnica, sendo necessários métodos especiais de projetos, seleção de equipamentos e acordos contratuais associados à produção de eletricidade e suprimento de combustível.

Doctoral Thesis in Chemical Engineering, 2006

The main purpose of this work was to study and develop electrode materials for proton exchange fuel cells and characterize the performance of a laboratory cell. Essentially this work is divided in three parts: 1. Principles and fundaments The first part is constituted by the three first chapters, where a revision about the principles and theoretical fundaments about fuel cells is made. In the first chapter is detached the history of the cells, basic principles, aspects related with the thermodynamics and kinetics of chemical reactions, the several kinds of cells, procedures of production and storage of hydrogen. The second chapter contains considerations about porous electrodes and the theoretical fundaments of the gaseous diffusion in the electrodes. The third chapter lean over the proton exchange membranes, properly the working mechanisms of the membranes, namely the management of the water in the electrodes/membrane and the theoretical models witch characterize the several fuel cell components. 2. Electrodes for fuel cells The main purpose of this work was to develop methods for the preparation and the characterization of the electrode materials. In the fourth chapter synthesis protocols were developed for the support materials for the electrodes and the gas diffusion layer. In both processes it is explained how to regulate the quantity of PTFE that the electrode should contain to maximize the performance of the fuel cell. A sequential thermic treatment was established to apply in the carbon materials soaked in PTFE emulsions in order to cause an effective splitting of the PTFE in carbon clothe fibres. In the fifth chapter the carbon clothes were characterised, using the optical microscopy, measuring the hidrophobicity, measuring the gas diffusion and measuring the resistivity. In the different cells were calculated the several overvoltages, as well as the kinetic and thermodynamic parameters that compose them. 3. Study of the performance of segmented fuel cell In the sixth chapter of the study it was adopted the segmentation of the electrode by partial machination/plotting of the canals in the collector of the cathode plate. It was possible to partially isolate blocks of electrodes with golden copper segments. This approach of the current collection allows the measure the current distribution in the fuel cell of polymeric electrolyte. Relatively to the known studies, this technology wasn’t previously explored for the measurement of the current distribution in real prototypes fuel cells, such as current gas collectors belonging to the stack of PSI, employed in Volkswagen Bora prototype. Thus, each segment of the cathode can be seen as a monitoring sensor and proof of the local activity of the cathode. It is also useful to have an idea of the local conductibility in the membrane. In the experiments described in the sixth chapter, some relevant comments will be made, according to the specific components and the operational conditions. The design of the cell and the specific operational circumstances are technologically relevant for the experimental diagnostic. This work pretends most of all to present a new and effective diagnostic tool to evaluate the performance of the cell.

2013

s celulas eletroliticas sao dispositivos que quebram ligacoes quimicas entre hidrogenio e oxigenio por meio da eletrolise. A estrutura da celula e composta por placas paralelas de inox, material que pouco sofre oxidacao, e por aneis de borracha para vedacao. Os aneis sao montados entre as placas de inox para evitar que a agua contida em seu interior saia do sistema. As placas possuem furacoes que permitem a comunicacao das galerias de agua. Para que a celula possa inicializar a reacao de separacao das moleculas de agua em hidrogenio e oxigenio, e necessario utilizar uma fonte de eletricidade no caso em questao, uma boa fonte de energia eletrica de corrente continua e a bateria automotiva de 12 volts e 40 Amperes. Depois de montada a celula, e instalado o reservatorio e a bateria, e em seguida e adicionada ao reservatorio a solucao basica composta por agua e hidroxido de potassio (KOH). Assim que a bateria e conectada a celula, e iniciada a reacao quimica de quebra das moleculas de a...

Engevista

Este trabalho tem como objetivo levantar as condições para a viabilidade econômica da aplicação do hidrogênio industrial, gerado em planta de produção de cloro soda, em sistemas de célula a combustível. Utilizaram-se os métodos do Valor Presente Líquido (VPL) e da Teoria das Opções Reais (TOR), para avaliar economicamente a integração, com base nos parâmetros custo do investimento, volatilidade, taxa de juros livre de risco e taxa de dividendos. Conclui-se que a factibilidade econômica do empreendimento depende, nas condições brasileiras atuais, de ação política governamental. lt;/span>

ppgem.ct.utfpr.edu.br

Research, Society and Development

Do ponto de vista da matriz energética dominante a base de fontes fósseis, as tecnologias ligadas às células de combustível têm ganhado bastante destaque no meio científico. Elas podem ser apontadas como futuro vetor energético, principalmente quando atreladas as técnicas de economia de hidrogênio e as matrizes energéticas renováveis já existentes. Dessa forma, o objetivo deste trabalho é promover a discussão sobre o uso e aplicação das células de combustível em substituição ao atual sistema energético, através da técnica de revisão da literatura. As células de combustível promovem baixas emissões de gases do efeito estufa, óxidos de nitrogênio e enxofre (NOx e SOx); o que permitem uma maior redução dos impactos sobre o meio ambiente. Além disso, podem operar em pequena, média e larga escala, podendo ser reaproveitadas para os mais diversos tipos de aplicações. Entre elas: a substituição dos carros movidos a motores de combustão interna, por carros elétricos; sendo estes mais eficie...