Statistical analysis of a proton exchange membrane fuel cell

Abstract

A crescente preocupação com os impactos ambientais e o esgotamento das fontes de combustíveis fósseis o uso da tecnologia de células de combustível surge como uma alternativa. Essa tecnologia, que opera com gases de hidrogênio e oxigênio para produzir água e energia, destaca-se por sua capacidade de gerar energia sem emitir poluentes durante o processo. Este estudo aprofunda-se no funcionamento de uma célula de combustível de membrana polimérica, realizando uma análise estatística da influência das pressões dos reagentes e da temperatura de operação nas concentrações de reagentes na interface eletrodo-membrana, potencial de Nernst, e nas curvas de polarização e potência da célula. Para alcançar isso, foi utilizado um modelo comercialmente disponível de célula de combustível, conhecido como Ballard Mark IV, operando dentro de intervalos de pressão de 1 a 3 atm e temperaturas variando de 60 a 90 °C. As concentrações de reagentes e o potencial de Nernst foram observados se aproximando de uma distribuição normal padronizada. Por outro lado, a voltagem de saída da célula, assim como a potência elétrica desenvolvida, mostraram desvio do comportamento normalizado na região de efeitos de concentração. Modelos de regressão apresentaram um alto coeficiente de determinação, conferindo confiabilidade à formulação matemática. Condições operacionais ideais foram encontradas considerando a maximização da voltagem da célula, densidade de corrente, potência e eficiência. Neste estudo, a região de melhor eficiência da célula foi alcançada dentro de intervalos de pressão e temperatura de 2,5 a 3 atm e 78 a 90 °C, respectivamente.