Passive direct ethanol fuel cells: modeling studies

Abstract

O presente trabalho teve como objetivo o estudo de modelação de uma célula de combustível com injeção direta e passiva de etanol operando em condições ambientais. Este estudo foi desenvolvido tendo em conta a importância crescente dos sistemas com alimentação direta e passiva de etanol como solução para as aplicações portáteis. No decurso deste trabalho, foi desenvolvido um modelo matemático para a célula passiva, em estado estacionário e a uma dimensão, incorporando o transporte de calor e massa bem como as reações eletroquímicas que ocorrem no ânodo e no cátodo da célula de combustível. Este modelo simplificado pode ser rapidamente implementado usando métodos numéricos simples existentes no Excel, e reproduz de modo satisfatório os dados experimentais obtidos. Neste trabalho, foi também desenvolvida uma instalação laboratorial para determinação experimental das curvas de polarização e de potência da célula. Para esse fim, foi concebida e construída uma célula com uma área ativa de 25 cm2. Um estudo experimental detalhado para a célula passiva operando sob condições ambientais é apresentado nesta tese. As previsões do modelo foram comparadas com os resultados experimentais e verificou-se uma grande concordância entre ambos. Deste modo, o funcionamento da célula de combustível com injeção direta e passiva de etanol foi explicado à luz das previsões do modelo para o atravessamento de metanol e de água através da membrana. O efeito das condições de operação (tais como a concentração de etanol na alimentação ao ânodo e a densidade de corrente), bem como de parâmetros de configuração (materiais que constituem as camadas de difusão e espessura da membrana polimérica), no desempenho da célula foi estudado detalhadamente, e as previsões do modelo reproduziram satisfatoriamente os resultados obtidos. Dada a escassa informação existente sobre este tema na literatura atual, os resultados obtidos neste estudo são de elevado interesse e apresentam grande importância para o futuro desenvolvimento de células de combustível com injeção direta e passiva de etanol.

Bearing in mind that the passive feed Direct Ethanol Fuel Cell (DEFC) systems emerge as a solution for portable applications, the main objective of this thesis was the modelling study of a passive feed DEFC working under ambient conditions. A steady state, one dimensional and non-isothermal model was developed, accounting for coupled heat and mass transfer processes along with the electrochemical reactions occurring in the fuel cell. This simplified model was rapidly implemented using simple numerical tools as Excel, and reproduced with satisfactory accuracy the experimental data. An experimental set-up was implemented in order to determine the cell polarization and power density curves. For the experimental studies, an “inhouse” passive feed DEFC with an active area of 25 cm2 was designed, and a detailed experimental characterization of the cell working under ambient conditions was performed. The model predictions were compared with the experimental results, and a very successful accuracy was found. Therefore, the experimental results could be explained under the light of the model predictions concerning both ethanol and water crossover. Moreover, the effect of operating conditions (ethanol feed concentration and current density) and design parameters (anode diffusion layer material and thickness, anode catalyst loading and membrane thickness) on the fuel cell performance was intensively investigated. The model proved to predict accurately the trends of the effect of the different parameters on both ethanol and water crossover, and subsequently on the cell performance. Given the lack of information concerning this issue in the actual literature, the results achieved in this work provide very interesting and useful information for the future development of passive DEFCs.