[pt] ANÁLISE EXERGOECONÔMICA DE UMA CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE MEMBRANA DE TROCA DE PRÓTONS (PEM)

[en] EXERGOECONOMIC ANALYSIS OF A PROTON EXCHANGE MEMBRANE (PEM)

[pt] JOSE LUIZ BRANDAO DE ALBUQUERQUE MARANHAO

[pt] HIDROGENIO

[pt] CUSTO EXERGETICO

[pt] ANALISE EXERGOECONOMICA

[pt] CAC

[pt] CELULAS A COMBUSTIVEL

[pt] PEMFC

[en] HYDROGEN

[en] EXERGETIC COST

[en] EXERGOECONOMIC ANALYSIS

[en] FCS

[en] FUEL CELLS

[en] PEMFC

[pt] A crescente demanda por energia, associada à natureza finita e poluente de parte majoritária da matriz energética atual, motivam a busca por novos meios mais eficientes, renováveis, e de menor impacto ambiental. Neste contexto, o grande potencial apresentado pelas células a combustível como parte deste esforço é evidente. Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de um simulador, programado no software MATLAB, que permita a realização da análise de indicadores exergoeconômicos relacionados à operação de uma célula a combustível baseada de membrana de troca de prótons (PEMFC) abastecidas com hidrogênio puro. A validação da modelagem implementada foi feita através da análise comparativa entres os resultados gerados pela simulação e os resultados teóricos e experimentais levantados por meio de uma revisão bibliográfica. Os efeitos das variações de temperatura e pressão associados a variações na densidade de corrente foram analisados. Foi possível concluir que temperatura e pressões mais elevadas possuem impactos positivos nas eficiências exergéticas e energéticas, na potência gerada, e no custo exergético da potência. Também foi observado que para um intervalo específico de densidade de corrente, entre 0 e cerca de 1,2 A/cm2, maiores densidades se traduzem em maiores potências produzidas. No entanto, maiores densidades de correntes sempre estão associadas a menores eficiências e custos exergéticos mais elevados. Por meio da realização de uma análise de sensibilidade, os efeitos da temperatura, pressão, densidade de corrente, estequiometrias, custo do hidrogênio, taxa de juros anual, e custo de aquisição da célula foram investigados. Pode-se observar o efeito positivo da redução da estequiometria do hidrogênio no custo exergético da potência e na eficiência energética, uma melhora até 20% e 25% quando se reduz a estequiometria em 20%, respectivamente. Ainda relacionado ao hidrogênio, a diminuição de seu custo exergético causa uma expressiva diminuição no custo exergético da potência gerada, e seu aumento também provoca o aumento no custo da potência, em ambos os casos em até 20%, para o intervalo analisado. Por fim, a análise de sensibilidade demonstrou que o apesar de serem parâmetros levados em consideração no cálculo do custo exergético da potência produzida pela célula, a taxa anual de juros e o custo de aquisição da célula possuem uma influência marginal neste resultado.

[en] Inspired The growing demand for energy, associated with the finite and polluting nature of most current energy sources, motivate the search for new, more efficient, renewable means, that also pose less environmental impacts. In this context, the great potential presented by fuel cells as part of this effort is evident. This project aims to develop a simulator, programmed in MATLAB, which allows the analysis of exergoeconomic indicators related to the operation of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), fueled with pure hydrogen. The validation of the implemented model was done through the comparative analysis between the results generated by the simulation and the theoretical and experimental results obtained through a bibliographic review. The effects of temperature and pressure variations associated with current density variations were analyzed. It was possible to conclude that higher temperature and pressure have positive impacts on exergetic and energy efficiencies, on the power output, and on the exergetic cost of the power output. It was also observed that for a specific range of current density, between 0 and about 1.2 A/cm2, higher densities translate into higher power output. However, higher current densities are always associated with lower efficiencies and higher exergetic costs. By performing a sensitivity analysis, the effects of temperature, pressure, current density, stoichiometries, hydrogen cost, annual interest rate, and cell acquisition cost were investigated. The positive effect of reducing the stoichiometry of hydrogen on the exergetic cost of power and energy efficiency can be observed, an improvement of up to 20% and 25% when reducing the stoichiometry by 20%, respectively. Still related to hydrogen, the decrease in its exergetic cost causes a significant decrease in the exergetic cost of the generated power, and its increase also causes an increase in the power cost, in both cases by up to 20%, for the analyzed interval. Finally, the sensitivity analysis showed that despite being parameters considered in the calculation of the exergetic cost of the cell power output, the annual interest rate and the cell acquisition cost have a marginal influence on this result.

FLORIAN ALAIN YANNICK PRADELLE

JOSE EDUARDO SANSON DE PORTELLA CARVALHO

2022-07-13

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.59944