Le concept de processus

Nesta seção estuda-se o efeito da temperatura (T) e resistência ôhmica (Rb) no desempenho da célula DEPEMFC. Nas Figura 71 até

Figura 75 se mostram os resultados da operação da célula DEPEMFC para as temperaturas de 333 K, 348 K e 363 K operando com um catalisador a base de Pt1Sn1/C. Além disso, nas Figura 77 até Figura 80,

apresentam-se os resultados da resistência ôhmicas (Rb) na temperatura

de 363 K. Esta temperatura foi escolhida por ser a de melhor desempenho dentre das condições testadas. Lembrando que a operação da célula PEM esta limitada pela temperatura de mudança de fase da água dentro do eletrólito ou membrana.

Na Tabela 30, apresentam-se os parâmetros cinéticos do modelo da densidade corrente da equação (3.35) e os outros parâmetros utilizados na modelagem são apresentados na Tabela 27. Estes parâmetros foram os mesmos utilizados nas análises anteriores operando com diferentes catalisadores a célula DEPEMFC.

Tabela 30- Parâmetros cinéticos do catalisador Pt1Sn1/C

Catalisador T(K) k1 k2  Pt1Sn1/C 363 3,188 10 C2 EtOH0,7508    7 0,1214 EtOH 1,434 10 C   0,01899 348 2,417 10 C2 EtOH0,75    5 0,3276 EtOH 4,571 10 C   0,01905 333 7 0,75 EtOH 2,007 10 C   6 1,058 EtOH 3,563 10 C   0,013 38

Na Figura 71, apresentam-se as curvas de tensão (E) vs densidade corrente (jcel) para as temperaturas de 363 K, 348 K e 333 K. Nesta

análise se mostra o efeito da temperatura de operação no funcionamento da célula. Além disso, observa-se como a célula consegue maiores valores de tensão (E) e densidade de correntes (jcel) com aumento da

atinge na temperatura de 363 K, seguido dos resultados na temperatura de 348 K e o menor desempenho foi apresentado na temperatura de 333 K. Além disso, também se observa que o potencial de circuito aberto de 1,1013 V é o ponto de partida da curva de polarização que diminui rapidamente a um valor aproximado de 0,86 V para os primeiros valores da densidade de corrente. Esta queda mostra a incapacidade do catalisador em oxidar ou reduzir a mistura reagente (etanol- oxigênio), cujo valor de tensão para um catalisador ideal tem o valor do potencial de circuito aberto (OCV) ou de equilíbrio. Uma vez mais se confirma que a temperatura é um parâmetro importante no desempenho da célula DEPEMFC, especialmente para aumentar a cinética de conversão da reação da oxidação de etanol.

Figura 71- Curvas de polarização para uma célula DEPEMFC operando com um catalisador Pt1Sn1/C na CEtOH =1 10 3 mol/cm3 e nas

temperaturas de 333 K, 348 K e 363 K. 0 100 200 300 400 500 600 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 E(V) j (mA/cm2) T= 363 K T= 348 K T= 333 K Eq

Na Tabela 31, mostram-se os valores da densidade de potência (Wele), eficiência e sobrepotencial nas condições de tensão de 0,6 V e da

densidade de corrente de 475 mA/cm2. Por exemplo, na tensão de 0,6 V e temperatura de 363 K se tem uma densidade de corrente e de potência de 77,61 mA/cm2 e 46,55 mW/cm2 respectivamente. Os resultados na temperatura de 363 K são os maiores valores obtidos, seguidos dos resultados na temperatura de 348 K, cujos valores das densidades de corrente e potência foram de 59,76 mA/cm2 e 35,9 mW/cm2 respectivamente. Por último, os menores valores de tensão e densidade

de corrente foram obtidos na temperatura de 333 K. No ponto de tensão de 0,6 V operação para este valor de temperatura os valores das densidades de corrente e potência foram de 25 mA/cm2 e 14,99 mW/cm2 respectivamente. Dos resultados obtidos na temperatura de 363 K e tensão de 0,6 V cuja densidade de potência representa um valor de 22,68 % (10,56 mW/cm2) e 67,79 % (31,56 mW/cm2) que corresponde as temperaturas de 348 K e 333 K respectivamente.

Tabela 31- Parâmetros fornecidos na tensão de 0,6 V e na densidade de corrente 475 mA/cm2 para as temperaturas de 363 K, 348 K e 333 K. T (K) E(V) j (mA/cm2) Wele (mW/cm

2 ) (V) cel Catalisador 363 K 0,6 77,61 46,55 0,408 0,169 Pt1Sn1/C 0,396 475 188,4 0,613 0,11 348 K 0,6 59,76 35,9 0,409 0,169 0,368 475 175,2 0,641 0,104 333 K 0,6 25 14,99 0,410 0,169 0,152 475 72,18 0,858 0,042

Na Figura 72, apresentam-se as curvas da densidade de potência da célula DEPEMFC para as temperaturas analisadas. Também se observa que os maiores valores de potências foram atingidos pela temperatura de 363 K, seguida pela temperatura operando na temperatura de 348 K e por último os menores valores de potência foram obtidas na temperatura de 333 K. No ponto de operação da densidade de corrente de 475 mA/cm2 os valores de potência encontrados foram de 188,4 mW/cm2 (0,3966 V), 175 mW/cm2 (0,3688 V) e 72,18 mW/cm2 (0,152 V) para as temperaturas de 363 K, 348 K e 333 K respectivamente. Notam-se destes resultados obtidos mais uma vez que a célula DEPEMFC opera melhor na temperatura de 363 K. Obtendo-se os maiores valores de potência, tensão, eficiência e as menores perdas ou sobrepotenciais.

Figura 72- Densidade de potência (Wele) vs densidade de corrente (jcel)

para uma célula DEPEMFC operando com um catalisador Pt1Sn1/C.

Para CEtOH = 3

1 10  mol/cm3 e nas temperaturas de 333 K, 348 K e 363 K. 0 100 200 300 400 500 0 25 50 75 100 125 150 175 200 Pot ên cia (m W/c m 2 ) j (mA/cm2) T= 363 K T= 348 K T= 333 K

Na Figura 73, mostra se a eficiência da célula DEPEMFC nas três temperaturas analisada. Para a célula o maior valor de eficiência é de 29,2 % atingido no estado de circuito aberto (OCV). Apresentam-se os valores de eficiência na tensão de 0,6 V sendo muito próximos ao valor de 16 % , cujos valores correspondem a 16,97 % (77,61 mA/cm2) , 16,96 % (35,9 mA/cm2) e 16,93 % (14,99 mA/cm2) para as temperaturas de 363 K, 348 K e 333 K respectivamente. Mas caso diferente acontece com os valores da densidade de corrente que se apresentam entre parêntesis para este ponto de tensão cujos valores são distintos. O que significa que a célula operando em um mesmo ponto de tensão e com maior valor da densidade de corrente se tem um maior valor na densidade de potência. Neste caso os maiores valores de potência correspondem à temperatura de 363 K.

Figura 73- Eficiência da célula DEPEMFC operando com um catalisador Pt1Sn1/C para uma concentração de etanol 1 10 3 mol/cm3

e nas temperaturas de 333 K, 348 K e 363 K. 0 100 200 300 400 500 600 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4  ( %) j (mA/cm2) T=363 K T=348 K T=333 K

Na Figura 74, apresentam-se os sobrepotenciais totais da célula DEPEMFC para as três temperaturas analisadas. Os menores valores de sobrepotenciais correspondem à temperatura de 363 K seguida da temperatura de 348 K e os maiores valores de sobrepotenciais foram obtidos para a menor temperatura de 333 K. Por exemplo, na tensão de 0,6 V o sobrepotencial tem quase o mesmo valor para cada uma das temperaturas cujos valores são: 0,4089 V (363 K) , 0,4093 V (348 K) e 0,4105 V (333 K). Mas na densidade de corrente 475 mA/cm2 os valores dos sobrepotenciais encontrados tem valores de 0,6134 V (363 K), 0,6412 V (348 K) e 0,858 V (333 K). O sobrepotencial ou perdas da célula são a soma de todos os sobrepotenciais que participam na queda da tensão da célula sendo estes os de ativação, concentração e ôhmicos como se mostra na Figura 75.

Figura 74- Sobrepotencial da célula DEPEMFC operando com um catalisador Pt1Sn1/C para uma concentração de etanol 1 10 3 mol/cm 3 e nas temperaturas de 333 K, 348 K e 363 K. 0 100 200 300 400 500 600 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2  (V ) j (mA/cm2) T= 363 K T= 348 K T= 333 K

Na Figura 75 se apresentam os sobrepotenciais ôhmicos, ativação e concentração para o ânodo e cátodo, para as temperaturas de 363 K, 348 K e 333 K. Nas Figura 75(a) e (b), observa-se como os valores de sobrepotenciais de ativação, concentração do ânodo e cátodo tem a mesma ordem de grandeza, isto significa que tem a mesma influencia na queda de tensão da célula. Na Figura 75(c), observa-se como o sobrepotencial de ativação e concentração do ânodo tem os maiores valores seguido do sobrepotencial de concentração no cátodo. Além disso, observa-se que os sobrepotenciais ôhmicos são desprezíveis pelos baixos valores encontrados. Os resultados anteriores mostram que os sobrepotenciais de ativação e concentração do ânodo e cátodo servem como parâmetros para avaliar a atividade catalítica e a capacidade de conversão da mistura etanol-água e oxigênio.

Figura 75- Sobrepotenciais de ativação, concentração ânodo e cátodo, ôhmicos. Da célula DEPEMFC operando com um catalisador Pt1Sn1/C

em uma CEtOH = 3

1 10  mol/cm3 e nas temperaturas de 333 K, 348 K e 363 K.