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Desenvolvimento e construção de pilha de combustível de membrana alcalina sustentável
Use este link compartilhar ou citar este material: http://educapes.capes.gov.br/handle/1884/63116
Registro completo de metadados
| Metadados | Descrição | Idioma |
|---|---|---|
| Autor(es): dc.contributor | Vargas, José Viriato Coelho, 1956- | - |
| Autor(es): dc.contributor | Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE | - |
| Autor(es): dc.creator | Raimundo, Rodrigo César, 1984- | - |
| Data de aceite: dc.date.accessioned | 2020-01-31T12:59:07Z | - |
| Data de disponibilização: dc.date.available | 2020-01-31T12:59:07Z | - |
| Data de envio: dc.date.issued | 2019-09-11 | - |
| Data de envio: dc.date.issued | 2019-09-11 | - |
| Data de envio: dc.date.issued | 2019 | - |
| Fonte completa do material: dc.identifier | https://hdl.handle.net/1884/63116 | - |
| Fonte: dc.identifier.uri | http://educapes.capes.gov.br/handle/1884/63116 | - |
| Descrição: dc.description | Orientador: Prof. Dr. José Viriato Coelho Vargas | - |
| Descrição: dc.description | Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE. Defesa : Curitiba, 14/05/2019 | - |
| Descrição: dc.description | Inclui referências: p. 153-181 | - |
| Descrição: dc.description | Área de concentração: Engenharia e Ciência dos Materiais | - |
| Descrição: dc.description | Resumo: A pilha de combustível de membrana alcalina sustentável (SAMFC) é considerada como uma tecnologia promissora para obtenção de energia, de uma forma renovável e benéfica ao meio ambiente. Esta pesquisa de doutorado se propõe a realizar o desenvolvimento e construção de uma pilha SAMFC. A SAMFC acopla uma célula de combustível de membrana alcalina (AMFC) com um reator de hidrogênio que utiliza alumínio reciclado de latas de refrigerante, cuja finalidade é realizar a hidrólise da água por meio da oxidação do alumínio catalisada pelo hidróxido de sódio. Uma inovação nessa célula é o uso de uma membrana celulósica. Essa suporta o eletrólito evitando as características indesejáveis dos eletrólitos líquidos, também não há asbesto nem amônia que são tóxicos e carcinogênicos, respectivamente. O alumínio é um elemento abundante na crosta terrestre, relativamente barato que pode ser totalmente reciclado. O ar atmosférico fornece oxigênio para a célula, bombeado por um compressor em uma solução de hidróxido de potássio (KOH) para fixar o CO2. Desse modo, há formação de carbonato de potássio para evitar a contaminação do eletrólito e manter a célula funcional. Um sistema de célula de combustível de membrana alcalina sólida sustentável (SAMFC) com uma célula unitária, um reator e o purificador de CO2 foi projetado e construído. Depois de testada a célula unitária, também foi construída uma pilha com quatro células individuais em série. Os resultados são apresentados em curvas de polarização e potência, medidas diretamente no laboratório. Embora o alumínio reciclado tenha sido utilizado nos experimentos, os resultados demonstram que a célula unitária foi capaz de fornecer 0,90 V em circuito aberto e aproximadamente 0,35 W de potência máxima e para a pilha 3,73 V em circuito aberto e cerca de 3,00 W de potência máxima. O desempenho tanto da célula unitária quanto da pilha foi similar, operando com hidrogênio comercial e o procedente do alumínio. Após o design, manufatura e teste do aparato experimental da célula unitária e da pilha AMFC/SAMFC, foram realizados uma validação matemática e um ajuste dos dados experimentais com os valores obtidos por meio de uma simulação, utilizando um modelo matemático em código computacional desenvolvido em Fortran. O simulador foi desenvolvido como uma ferramenta preditiva com base em princípios eletroquímicos, de conservação de massa, momento e energia do sistema. O modelo considera a perda de carga nos canais de gases e os gradientes de temperatura e pressão em relação ao espaço na direção do fluxo. Com os resultados provenientes da simulação, obtiveram-se as curvas de polarização e de potência líquida que foram validadas experimentalmente por comparação direta com as medidas de diferença de potencial e correntes realizadas nos protótipos experimentais, para concentração mássica de 40% de solução de eletrólito (KOH). Os resultados apresentaram concordância, tanto quantitativa como qualitativa. Após a validação e ajuste da simulação com os dados experimentais foi realizada uma análise paramétrica no simulador, variando a concentração mássica do eletrólito (y = 20%, y = 40% e y = 50%). Os melhores resultados foram com y=40%, valor adotado experimentalmente nesse trabalho. Após a obtenção dos resultados experimentais e numéricos, conclui-se que a SAMFC tem potencial para se tornar economicamente competitiva com os sistemas tradicionais de geração de energia de forma renovável e sustentável. . Palavras-chave: SAMFC. Membrana eletrolítica celulósica. Alumínio. Energia. | - |
| Descrição: dc.description | Abstract: The sustainable alkaline membrane fuel cell (SAMFC) stack is considered to be a promising technology for obtaining energy in a renewable and environmentally friendly way. This work addresses the development and construction of a sustainable alkaline membrane fuel cell (SAMFC) stack. The SAMFC couples an alkaline membrane fuel cell (AMFC) with a hydrogen generation reactor that uses recycled aluminum from soda cans to split the water molecule through the oxidation of aluminum catalyzed by sodium hydroxide. An innovative cellulosic membrane supports the electrolyte, which avoids the undesirable characteristics of liquid electrolytes, and asbestos or ammonia which are toxic and carcinogenic, respectively. Aluminum is an inexpensive, abundant element in the earth's crust and fully recyclable. Oxygen is supplied to the cell with atmospheric air that is pumped through a potassium hydroxide (KOH) aqueous solution in order to fix CO2, and in this way there is potassium carbonate formation in order to keep the cell fully functional. A sustainable alkaline membrane fuel cell (SAMFC) system with unitary cell, the reactor, and CO2 purifier was designed and built. After testing the unit cell, a stack with four single series cells was built. The results are presented in polarization and power curves directly measured in the laboratory. Although recycled aluminum was used in the experiments, the results demonstrate that the cell was capable of delivering 0.9 V in open circuit and approximately 0.42 W of maximum power for one cell and 3.73 V in open circuit and around 3.00 W of maximum power for four cells, with a similar performance to the same stack operating with pure H2 and for hydrogen from powder aluminum. After the design, manufacture and test of the experimental apparatus of both the unit cell and the stack for AMFC and SAMFC, a mathematical validation and an adjustment of the experimental data with the values obtained through a simulation, using a mathematical model in computational code, that was developed in Fortran. The simulator was developed as a predictive tool based on electrochemical principles, conservation of mass, momentum and energy of the system. The model considers the pressure loss in the gas channels and the temperature and pressure gradients in relation to the space in the flow direction. With the simulation results it was obtained the polarization and power curves which were validated experimentally by direct comparison with the measurements of potential difference and currents carried out in the experimental prototypes for a mass concentration of 40% of electrolyte solution (KOH). The results showed both quantitative and qualitative agreement. After the validation and adjustment of the simulation with the experimental data, a parametric analysis was performed varying the mass concentration of the electrolyte (y = 20%, y = 40% and y = 50%), which presented the best results with y = 40%, the same adopted in this work. The main conclusion is that by allowing for in situ sustainable hydrogen production, the SAMFC could eventually become economically competitive with traditional power generation systems in a sustainable and renewable way. Keywords: SAMFC. Cellulosic electrolyte membrane. Aluminum. Energy. | - |
| Formato: dc.format | 181 p. : il. (algumas color.). | - |
| Formato: dc.format | application/pdf | - |
| Formato: dc.format | application/pdf | - |
| Palavras-chave: dc.subject | Energia - Fontes alternativas | - |
| Palavras-chave: dc.subject | Aluminio | - |
| Palavras-chave: dc.subject | Engenharias | - |
| Título: dc.title | Desenvolvimento e construção de pilha de combustível de membrana alcalina sustentável | - |
| Aparece nas coleções: | Repositório Institucional - Rede Paraná Acervo | |
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