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Título: Simulação de unidade de potência auxiliar baseada em célula de combustível PEM voltado para aplicação em aeronaves
Autor(es): Marcelino, Rafael Sousa
Orientador(es): Barcelos Júnior, Manuel Nascimento Dias
Coorientador(es): Muñoz Meneses, Rodrigo Arbey
Assunto: Simulação (Computadores)
Hidrogênio
Células de combustível
Data de apresentação: 21-Dez-2023
Data de publicação: 21-Mai-2024
Referência: MARCELINO, Rafael Sousa. Simulação de unidade de potência auxiliar baseada em célula de combustível PEM voltado para aplicação em aeronaves. 2023. 174 f., il. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Aeroespacial) — Universidade de Brasília, Brasília, 2023.
Resumo: Conforme a necessidade pela rapidez na transição para a eletrificação veicular avança, as células de combustível vem se mostrando uma opção efetiva para tal propósito, essencialmente a movida a hidrogênio, podendo servir tanto como o produto final da eletrificação quanto o passo intermediário para tal, principalmente no meio aeronáutico que tem ênfase numa maior eficiência aliada com menor peso. Com seu uso, há uma necessidade de otimizar seu processo de produção e integração com os demais sistemas da aeronave, assim destaca-se o processo de simulação computacional como principal agente para otimização destas etapas e reduzir os custos de produção com protótipos. Observando à conjuntura, o presente trabalho tem por objetivo a criação de ferramentas de modelagem computacional simplificadas para estudos de células de combustível PEM, por meio da seleção de um modelo matemático via revisão bibliográfica, que descreva os principais processos que ocorrem na célula de combustível do tipo PEM e a criação de modelos computacionais baseados no equacionamento escolhido. O modelo foi implementado em código MATLAB devido a sua fácil manipulação e alta possibilidade de adaptação, em seguida com a criação de um diagrama computacional no SimuLink, permitindo um ágil acoplamento do sistema da célula PEM com outros sistemas veiculares já desenvolvidos no programa, e, por fim, uma simulação tridimensional multi-física no Ansys Fluent, para um melhor estudo dos fenômenos de transporte e geração de energia da célula. A validação do modelo se deu com o uso de dados experimentais retirados de uma bancada experimental de 200 W de potência e com a respectiva comparação entre os dados obtidos.A abrangência do presente trabalho, vai do estudo das entradas utilizando fluxo volumétrico padrão com sua conversão em pressões parciais de entrada, quedas de pressão presentes nos canais de escoamento, as perdas potenciais da célula baseando-se na variação das pressões e na corrente de operação e a saída de voltagem e potência. Geração de água é estimada de forma inicial, para uma melhor compreensão de como esse fenômeno ocorre. As saídas de voltagem e potência tiveram uma média de erro percentual aceitável para modelos simplificados e iniciais, abaixo dos 10 %, porém, houveram erros pontuais acima de 10 %, demonstrando uma maior necessidade de refinamento do equacionamento aplicado e destacando a importância de se trabalhar com todas as variáveis que o modelo requer. Ao final, os modelos se mostraram promissores e ferramentas úteis para análises simplificadas e rápidas de células PEM.
Abstract: As the need for rapid transition to vehicular electrification advances, fuel cells have been shown to be an effective means for this purpose, especially hydrogen-powered, and can serve both as the final product of electrification and as the intermediate step towards it, especially in the aeronautical environment that emphasizes greater efficiency combined with lower weight. With its use, there is a need to optimize its production process and integration with the other systems of the aircraft, so the computer simulation process stands out as the main agent for optimizing these steps and reducing production costs with prototypes. Observing the conjuncture, the present work aims to create simplified computational modeling tools for PEM fuel cell studies, through the selection of a mathematical model via literature review, which describes the main processes that occur in the PEM type fuel cell and the creation of computational models based on the chosen equation. The model has been implemented in MATLAB code due to its easy manipulation and high possibility of adaptation, then with the creation of a computational diagram in SimuLink, allowing an agile coupling of the PEM cell system with other vehicular systems already developed in the program, and finally in a three-dimensional multi-physics simulation in Ansys Fluent, for a better study of the transport and energy generation phenomena of the cell. The validation of the model has been done using experimental data taken from an experimental bench with 200 W of power and with the respective comparison between the data obtained using the developed models.The scope of the present work ranges from the study of inlets using standard volumetric flow with its conversion into partial inlet pressures, pressure drops present in the flow channels, the potential losses of the cell based on the variation of pressures and operating current and the voltage and power output. Water generation is estimated upfront for a better understanding of how this phenomenon occurs. The voltage and power outputs had an acceptable average percentage error for simplified and initial models, bellow of 10 %, however, there were occasional errors above of 10 %, demonstrating a greater need for refinement of the applied equation and highlighting the importance of working with all the result, demonstrating a greater need for refinement of the applied equation and highlighting the importance of working with all the variables that the model requires. In the end, the models proved to be promising and useful tools for simplified and fast analysis of PEM cells.
Informações adicionais: Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) — Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, 2023.
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