Influence of modeling assumptions and approaches on physics-based proton-exchange membrane fuel cell models

Abstract

Devido à importância de células a combustível de membrana polimérica trocadora de prótons, muitos modelos desses sistemas foram desenvolvidos ao longo dos anos. Neles, diferentes estratégias de modelagem e suposições são usadas, porém, o impacto delas não é bem conhecido. Para atuar nessa lacuna de conhecimento, um modelo unidimensional, em regime permanente, não isotérmico e bifásico é desenvolvido e validado com dados experimentais de três células. Esse modelo é usado para avaliar a influência de cinco hipóteses: a descrição do transporte dos gases usando a lei de Fick, a suposição de um sistema isotérmico, o impacto de se usar diferentes descrições para a pressão capilar, a consideração do sistema como monofásico, e o uso de um modelo macro-homogêneo na camada catalítica ao invés do modelo do aglomerado. Primeiramente, a curva de polarização para o submodelo com a lei de Fick apresentou desvios consideráveis em altas densidades de corrente quando comparado à referência, com a equação de Stefan-Maxwell. Ademais, os perfis de concentração no anodo foram consideravelmente afetados, o que também é uma limitação para seu uso. Em relação ao submodelo isotérmico, embora os resultados de polarização tenham sido semelhantes, a fração molar de água no catodo foi significativamente afetada. Esse comportamento indica que uma descrição precisa da transferência de calor é essencial para obter perfis representativos para as propriedades da célula. Além disso, o uso de diferentes expressões para descrever a pressão capilar causou variações notáveis apenas na saturação de água líquida quando uma remoção eficiente de água foi assumida. Todavia, quando isso não é verdade, os perfis de água em todas as fases são significativamente diferentes e desvios na curva de polarização tornam-se importantes. O submodelo monofásico é altamente dependente das condições operacionais para obter uma boa concordância com a implementação bifásica de referência. Em maiores temperaturas e menores umidades relativas, o modelo mais simples tem resultados similares ao submodelo de referência. Contudo, na maior parte das condições - especialmente em menores temperaturas - as variações significativas causadas na quantidade de água no catodo resultam em diferenças nas curvas de polarização em densidades de corrente mais altas. Por fim, em todas as condições testadas, o modelo macro-homogêneo não foi capaz de prever as perdas relacionadas ao transporte observadas com o modelo do aglomerado. Além disso, o sobrepotencial de ativação é subestimado mesmo em densidades de corrente menores para a descrição macro-homogênea. Isso indica que a consideração da estrutura do aglomerado é essencial não apenas para detectar a queda acentuada de tensão no final das curvas de polarização, mas também para modelar o sobrepotencial de ativação em densidades de corrente menores.