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Simulação computacional e análise do desempenho de uma célula a combustível unitária do tipo membrana trocadora de prótons no ANSYS Fluent®

One of the most efficient and cleanest way of extracting electrical energy from hydrogen is through proton-exchange membrane fuel cells. Contrary to internal combustion engines, fuel cells do not have their efficiency limited by the Carnot cycle, but by the thermodynamics of the electrochemical reac...

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Autor principal:	Leonel, Elvis Masur Teixeira
Formato:	Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação)
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2020
Assuntos:	Células à combustível Simulação (Computadores) Hidrogênio Computer simulation Hydrogen CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/12071
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id	riut-1-12071
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spelling	riut-1-120712020-11-16T10:56:12Z Simulação computacional e análise do desempenho de uma célula a combustível unitária do tipo membrana trocadora de prótons no ANSYS Fluent® Computational simulation and performance analysis of a single proton-exchange membrane Fuel Cell in ANSYS Fluent® Leonel, Elvis Masur Teixeira Sordi, Alexandre Pinheiro, Alexei Lorenzetti Novaes Pinheiro, Alexei Lorenzetti Novaes Bineli, Aulus Roberto Romão Sordi, Alexandre Células à combustível Simulação (Computadores) Hidrogênio Computer simulation Hydrogen CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA One of the most efficient and cleanest way of extracting electrical energy from hydrogen is through proton-exchange membrane fuel cells. Contrary to internal combustion engines, fuel cells do not have their efficiency limited by the Carnot cycle, but by the thermodynamics of the electrochemical reactions. An efficient way of studying proton-exchange membrane fuel cells is through computer simulations. The study, from these simulations, aggregates knowledge on the behavior of the fuel cell, reduces experimental costs and helps future projects. This document presents the study of a single proton-exchange membrane fuel cell in ANSYS Fluent®. The geometry of the fuel cell was designed in SolidWoks® and imported into ANSYS’ DesignModeler® for the generation of 29 flux channels in each electrode. Following this, two meshes were constructed, where one had about 40% more finite volumes than the other for result comparison. The composition and mass fraction of the inlet gases were calculated for a current density of 1 Acm-2. A constant temperature of 80oC for the whole fuel cell and water phase change were key assumptions. A convergence of 0,01% was required for all monitored variables and residuals. The results, which changed significantly between both meshes, showed large pressure drop, homogeneous distribution of the gas species and little liquid water generation in the flux channels, and deficient humidification of the electrolyte membrane and catalyst layers. It was also possible to generate the polarization plots for both meshes. Uma das formas mais eficientes e limpas de se extrair energia elétrica do hidrogênio é através das células a combustível do tipo membrana trocadora de prótons. Contrário às máquinas de combustão interna, as células a combustível não têm sua eficiência limitada pelo ciclo de Carnot, apenas pela termodinâmica das reações eletroquímicas. Uma forma eficiente de estudar as células combustível do tipo membrana trocadora de prótons é através da simulação destas em ambiente computacional. O estudo, a partir dessas simulações, agrega conhecimento prévio do funcionamento da célula combustível, reduzindo custos de experimentos e incorporando valor para projetos futuros. O presente trabalho apresenta o estudo de uma célula a combustível unitária do tipo membrana trocadora de prótons no ANSYS Fluent®. A geometria da célula a combustível foi desenvolvida em programa CAD e importada para o DesignModeler® do ANSYS para a geração dos 29 canais de fluxo em cada eletrodo. Em seguida, foram desenvolvidas duas malhas de volumes, sendo uma com 40% a mais de volumes do que a outra para a comparação dos resultados. A composição dos gases de entrada e a vazão mássica destes foram calculados para uma densidade de corrente de 1 Acm-2. Assumiu-se temperatura constante de 80oC em toda a FC e troca de fase da água. Foi admitida convergência de 0,01% nas variáveis monitoradas e valores residuais. Os resultados, que variaram significativamente entre as malhas, indicaram elevada queda de pressão nos canais de fluxo, distribuição homogênea das espécies nestes, pouca formação de água líquida nos canais de fluxo e umidificação deficiente nas camadas eletrolítica e catalíticas. Por fim, foi possível gerar as curvas de polarização para as duas malhas. 2020-11-16T10:56:12Z 2020-11-16T10:56:12Z 2017-12-04 bachelorThesis LEONEL, Elvis Masur Teixeira. Simulação computacional e análise do desempenho de uma célula a combustível unitária do tipo membrana trocadora de prótons no ANSYS Fluent®. 2017. 75 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina, 2017. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/12071 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Londrina Brasil Engenharia ambiental UTFPR
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description	One of the most efficient and cleanest way of extracting electrical energy from hydrogen is through proton-exchange membrane fuel cells. Contrary to internal combustion engines, fuel cells do not have their efficiency limited by the Carnot cycle, but by the thermodynamics of the electrochemical reactions. An efficient way of studying proton-exchange membrane fuel cells is through computer simulations. The study, from these simulations, aggregates knowledge on the behavior of the fuel cell, reduces experimental costs and helps future projects. This document presents the study of a single proton-exchange membrane fuel cell in ANSYS Fluent®. The geometry of the fuel cell was designed in SolidWoks® and imported into ANSYS’ DesignModeler® for the generation of 29 flux channels in each electrode. Following this, two meshes were constructed, where one had about 40% more finite volumes than the other for result comparison. The composition and mass fraction of the inlet gases were calculated for a current density of 1 Acm-2. A constant temperature of 80oC for the whole fuel cell and water phase change were key assumptions. A convergence of 0,01% was required for all monitored variables and residuals. The results, which changed significantly between both meshes, showed large pressure drop, homogeneous distribution of the gas species and little liquid water generation in the flux channels, and deficient humidification of the electrolyte membrane and catalyst layers. It was also possible to generate the polarization plots for both meshes.
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Simulação computacional e análise do desempenho de uma célula a combustível unitária do tipo membrana trocadora de prótons no ANSYS Fluent®

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