Solução integrada de aproveitamento do rejeito térmico de células a combustível em sistemas de adsorção

Abstract

Células a combustível do tipo PEM (Proton Exchange Membrane) têm sido propostas como uma alternativa na geração de eletricidade a partir de combustíveis renováveis. Um dos fatores críticos de células do tipo PEM é a temperatura de operação, a qual deve ser controlada, preferencialmente na faixa de 60 a 80 °C, correspondendo a necessidade de rejeição de calor na ordem de 50 % da energia associada ao combustível utilizado. Neste trabalho, a fim de prevenir secagem da membrana polimérica e garantir um melhor desempenho da célula a combustível, atenção especial foi dedicada ao aproveitamento do rejeito de calor em sistemas de adsorção para fins de climatização. As células a combustível podem ser definidas como dispositivos que produzem energia elétrica a partir da energia química do combustível e têm sido estudadas em diferentes usos, com ênfase na indústria automobilística, geração distribuída e outras aplicações industriais. Sistemas de adsorção são dispositivos geralmente projetados para produção de frio a partir de rejeitos térmicos, fazendo-se uso de meios adsorventes e de um refrigerante. Hidrogênio foi considerado como combustível na simulação de um sistema integrado envolvendo uma pilha de células a combustível do tipo PEM, um acumulador térmico bifásico e um sistema de refrigeração por adsorção. Amônia foi considerada como refrigerante e brometo de sódio impregnado em grafite expandido como adsorvente no sistema de adsorção. Dados experimentais da literatura técnica foram considerados para validar resultados obtidos na simulação do comportamento térmico da célula a combustível. Dados experimentais obtidos em laboratório na UFSC foram também considerados na análise, os quais englobam parâmetros térmicos e de cinética de dessorção e de adsorção, além de propriedades termofísicas do leito adsorvente. Neste trabalho são apresentados resultados para potências elétricas no intervalo de 600 a 1400 W, tendo em conta a quantidade de células que compõe a pilha, o tempo de ciclo e o comprimento do leito dos reatores do sistema de refrigeração, bem como a quantidade de fluido de trabalho do acumulador térmico. O tempo de ciclo define o processo de aquecimento e resfriamento de cada um dos reatores. Para um tempo de ciclo igual a 40 minutos e potência elétrica de 1400 W, potências de refrigeração de até 400 W foram entregues pelo sistema de adsorção, com coeficientes de desempenho da ordem de 0,3, enquanto a pilha apresentou eficiências em torno de 48 %. O sistema integrado proposto leva ao aumento do aproveitamento da energia do hidrogênio, com eficiências globais de até 64 %.

Abstract: Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) have been proposed as an alternative in the generation of electricity from renewable fuels. One of the critical factors of PEMFCs is the operating temperature, which should be controlled, preferably in the range of 60 to 80 °C, corresponding to the need for heat rejection in the order of 50 % of the energy associated with the fuel used. In this work, in order to prevent drying of the polymer membrane and to guarantee a better performance of the fuel cell, special attention was given to the use of heat rejection in adsorption systems for air conditioning purposes. Fuel cells can be defined as devices that produce electrical energy from the chemical energy of the fuel and have been studied in different uses, with emphasis on the automotive industry, distributed generation and other industrial applications. Adsorption systems are devices generally designed to produce cold from thermal waste, using adsorbent materials and refrigerants. Hydrogen was considered as fuel in the simulation of an integrated system involving a PEM fuel cell stack, a two-phase thermal accumulator and the adsorption refrigeration system. Ammonia was considered as refrigerant and sodium bromide impregnated in expanded graphite as adsorbent in the adsorption system. Experimental data from the technical literature were considered to validate results obtained in the simulation of the thermal behavior of the fuel cell. Experimental data obtained in the laboratory at UFSC were also considered in the analysis, which include thermal parameters and kinetics of desorption and adsorption, as well as thermophysical properties of the adsorbent bed. In this work, results are presented for electrical power in the range of 600 to 1400 W taking into account the number of fuel cells that make up the stack, the cycle time and the bed length of the cooling system reactors, as well as the amount of working fluid in the thermal accumulator. The cycle time defines the heating and cooling each reactor. For a cycle time of 40 minutes and electric power of 1400 W, cooling power of up to 400 W were delivered by the adsorption system, with coefficients of performance of about 0.3, while the stack had efficiencies around 48 %. The proposed integrated system leads to increased utilization of hydrogen energy, with global efficiencies of up to 64 %.