| Summary: | Resumo: A tecnologia de célula de combustível se apresenta como uma opção promissora de produção de energia limpa, quando consideradas sua alta eficiência e mínimo impacto ambiental. Entretanto seu alto custo é um dos desafios que impedem sua extensiva utilização. Por isso neste trabalho busca-se a otimização do desempenho de um protótipo da célula de combustível de membrana alcalina (AMFC). Como ferramenta para prever o desempenho da AMFC, um modelo matemático para uma AMFC unitária é introduzido neste trabalho. É necessário que o modelo seja confiável e computacionalmente rápido para prever a resposta da AMFC unitária de acordo com as variações das propriedades físicas dos materiais, e parâmetros de operação e de projeto. Por isso, o modelo é baseado em princípios eletroquímicos, e conservação de massa, momento, energia e espécies. Além disso, considera a perda de carga dos canais de gases e os gradientes de temperatura e pressão em relação ao espaço na direção do fluxo. Como resultados da simulação, apresentam-se a distribuição de temperatura, curvas de polarização e de potência líquida que foram validadas experimentalmente por comparação direta com as medidas de potencial e corrente realizadas num protótipo da AMFC, para diferentes concentrações (y) de solução de eletrólito (KOH), que mostraram boa concordância tanto quantitativa como qualitativa. Conclui-se a partir de resultados experimentais que o transiente de start-up é curto e que existem valores ótimos de y (~40%), que conduzem a potência máxima. Também foram formuladas correlações empíricas para a densidade de corrente de troca (i0) dos eletrodos em função da concentração de eletrólito. O modelo ajustado e validado foi utilizado como ferramenta para o projeto construtal (otimização termodinâmica) da AMFC, visando máxima potência líquida sob uma restrição de volume. O procedimento de otimização foi feito em dois níveis: a estrutura interna, em que é otimizada a configuração interna (espessuras das camadas difusivas e catalíticas dos dois eletrodos) e a estrutura externa, em que se busca a forma externa (razão de aspecto) ótima. O volume disponível é distribuído otimamente através do sistema tal que a potência líquida, i.e. elétrica menos a de bombeamento, é maximizada. Os resultados numéricos mostram que os ótimos encontrados são acentuados, observando-se uma variação de até 600% na potência líquida na faixa testada de razões de aspecto externas da AMFC, o que destaca a importância de encontrar os parâmetros ótimos da AMFC, seja qual for a complexidade do projeto real. Mostra-se também que a potência líquida maximizada três vezes aumenta monotonicamente com o volume total elevado à potência 0,7 (~3/4), similarmente à taxa metabólica e a massa de animais. Por último, mas não menos importante, pelo fato de combinar precisão com baixo tempo computacional, espera-se que o modelo possa ser usado como importante ferramenta para projeto, controle e otimização da AMFC para pilhas de células de combustível.
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