Please use this identifier to cite or link to this item: http://tede2.uepg.br/jspui/handle/prefix/4160
metadata.dc.type: Tese
Title: Desenvolvimento da Simulação Computacional de uma Célula a Combustível de Óxido Sólido com Geometria Cilíndrica Planar
metadata.dc.creator: Ouba, Ana Kaori de Oliveira
metadata.dc.contributor.advisor1: Chinelatto, Adriana Scoton Antonio
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Neitzel, Ivo
metadata.dc.contributor.referee1: Kubaski, Evaldo Toniolo
metadata.dc.contributor.referee2: Serbena, Francisco Carlos
metadata.dc.contributor.referee3: Folgueras, Marilena Valadares
metadata.dc.contributor.referee4: Thomazini, Daniel
metadata.dc.description.resumo: As células a combustível de óxido sólido (SOFCs) são dispositivos que convertem energia química de um combustível diretamente em elétrica e têm se mostrado uma boa alternativa devido a sua alta eficiência e por produzirem uma energia limpa. No entanto, existem dificuldades, como por exemplo a alta temperatura de operação (em torno de 1000°C), que limitam a escolha de materiais e reduzem a vida útil do dispositivo devido à degradação térmica e corrosão dos materiais. Isto dificulta e encarece a construção de sistemas de energia utilizando SOFCs. Diante dos vários desafios para o desenvolvimento de novas composições, tornou-se grande o interesse em resolver problemas por meio da simulação computacional, a qual permite a aceleração do funcionamento das SOFCs, possibilita prever possíveis acidentes, tais como colapso do sistema, que ocorreriam durante a implementação de sistema real, além de poupar recursos econômicos, pois dispensa a construção de protótipos para testes. A modelagem da célula SOFC pode ser estudada em função dos fenômenos de transporte em fluidos feita pelo método de elementos finitos. A curva geral de corrente-tensão de uma célula eletroquímica, conhecida como curva de polarização, depende dos meios pelos quais a corrente ou a tensão são alteradas. Assim, o objetivo deste trabalho foi desenvolver a simulação da operação de uma SOFC para obter os dados de desempenho da mesma, a partir de dados experimentais. Para obtenção dos dados experimentais, foi realizada a confecção de uma SOFC com eletrólito de YSZ 8% mol e eletrodos de Ni-YSZ (1:1) e LSM (x = 0,2), sendo eles o anodo e catodo, respectivamente. A composição escolhida possui dados consolidados na literatura, uma vez que o objetivo é propor o modelo computacional com dados confiáveis. As amostras foram caracterizadas por ensaios de densidade aparente (DA), porosidade aparente (PA), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de impedância (EI), de forma a fornecer valores e parâmetros experimentais para a construção e validação do modelo computacional. Em seguida, foram desenvolvidas duas simulações computacionais, utilizando o programa COMSOL Multiphysics®, baseadas na mesma interface (distribuição de corrente secundária). A primeira simulação foi a espectroscopia de impedância (EI) eletroquímica do eletrólito de YSZ, a qual permitiu validar as equações selecionadas e comparar com a análise de EI realizada experimentalmente. Em seguida, foi desenvolvida a simulação de operação da SOFC, a qual permitiu obter a curva de polarização, a distribuição da fração molar dos gases nos eletrodos e a curva de densidade de potência. Para esta segunda simulação, também foram utilizados dados experimentais e dados da literatura para fins de comparação e validação da simulação. A partir dos resultados obtidos, é possível afirmar que as duas simulações computacionais desenvolvidas convergiram para soluções razoáveis e podem ser utilizadas para prever o funcionamento de SOFCs com geometria cilíndrica planar em uma vasta gama de condições de operação.
Abstract: Solid oxide fuel cells (SOFCs) are devices that convert chemical energy from a fuel directly into electrical energy and they demonstrated to be a good alternative due to their high efficiency and for producing clean energy. However, there are difficulties, such as the high operating temperature (around 1000°C), which limit the choice of materials and reduce the useful life of the device due to thermal degradation and corrosion of the materials. This makes it difficult and expensive to build systems using SOFCs. In the face of these challenges, the interest in solving problems through computer simulation has become great, which allows the acceleration of the system's operation, makes it possible to predict possible accidents that would occur during the implementation of a real system, in addition to saving economic resources, as it does not require building prototypes for testing. The modeling of the SOFC cell can be studied as a function of the transport phenomena in fluids made by the finite element method. The general current-voltage curve of an electrochemical cell, known as the polarization curve, depends on the means by which the current or voltage is changed. Therefore, the aim of this work was to develop a simulation of the operation of a SOFC to obtain the performance data of the same, from experimental data. To obtain the experimental data, a SOFC was made with 8% mol YSZ electrolyte and Ni-YSZ (1:1) and LSM (x = 0.2) electrodes, being the anode and cathode, respectively. The chosen composition has consolidated data in the literature, since the objective is to propose the computational model with reliable data. The composition was characterized by tests of apparent density (AD), apparent porosity (AP), scanning electron microscopy (SEM) and impedance spectroscopy (IS), in order to provide values and experimental parameters for the construction and validation of the computational model. Then, two computer simulations were developed, using the COMSOL Multiphysics® programa, based on the same interface (secondary current distribution). The first simulation was electrochemical impedance (IS) spectroscopy of the YSZ electrolyte, which allowed the validation of the selected equations and comparison with the EI analysis performed experimentally. Then, the SOFC operation simulation was developed, which allowed to obtain the polarization curve, the distribution of the molar fraction of the gases in the electrodes and the power density curve. For this second simulation, experimental data and literature data were also used to compare and validate the simulation. From the results obtained, it is possible to state that the two computer simulations developed converged to reasonable solutions and can be used to predict the operation of SOFCs with planar cylindrical geometry in a wide range of operating conditions.
Keywords: célula a combustível
espectroscopia de impedância
curva de polarização
densidade de potência
simulação computacional
fuel cell
impedance spectroscopy
polarization curve
power density
computer simulation
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Estadual de Ponta Grossa
metadata.dc.publisher.initials: UEPG
metadata.dc.publisher.department: Departamento de Engenharia de Materiais
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências de Materiais
Citation: OUBA, Ana Kaori de Oliveira. Desenvolvimento da Simulação Computacional de uma Célula a Combustível de Óxido Sólido com Geometria Cilíndrica Planar. 2023. Tese (Doutorado em Engenharia e Ciência de Materiais) - Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2023.
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: http://tede2.uepg.br/jspui/handle/prefix/4160
Issue Date: 5-Apr-2023
Appears in Collections:Programa de Pós - Graduação em Engenharia e Ciências de Materiais

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Ana Kaori de Oliveira Ouba.pdftese completa em pdf4.65 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons