Simulação de unidade de potência auxiliar baseada em célula de combustível PEM voltado para aplicação em aeronaves

Abstract

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.