Curva de Polarização equação de Tafel

Universidade Federal Fluminense Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda Departamento de engenharia Mecânica VEM Relatório CURVA DE POLARIZAÇÃO EQUAÇÃO DE TAFEL Alunos Letícia Arruda E Andrade Lucca Martins Rena Oliveira Volta Redonda julho de 2024 Sumário 1 Introdução3 2 Revisão bibliográfica4 3 Resultados Obtidos5 4 Conclusão2 1 Introdução As células a combustível conhecidas como Fuel Cells são dispositivos eletroquímicos inovadores que transformam diretamente a energia química em eletricidade Esse processo ocorre através da reação entre um combustível geralmente hidrogênio e um oxidante como o oxigênio sem a necessidade de combustão direta Operando de maneira contínua essas células fornecem energia de forma limpa e altamente eficiente representando uma alternativa sustentável às fontes de energia tradicionais A versatilidade das células a combustível permite sua aplicação em uma ampla gama de áreas No setor automotivo elas são utilizadas para alimentar veículos elétricos oferecendo uma solução que reduz as emissões de carbono e a dependência de combustíveis fósseis Em dispositivos eletrônicos portáteis como laptops e smartphones as células a combustível proporcionam uma fonte de energia duradoura e confiável Além disso essas células são empregadas em sistemas de energia estacionária atendendo tanto residências quanto indústrias Em ambientes residenciais elas podem fornecer eletricidade e aquecimento de forma eficiente enquanto nas indústrias contribuem para a geração de energia em larga escala suportando operações críticas e melhorando a sustentabilidade energética O avanço tecnológico e a crescente demanda por soluções energéticas sustentáveis impulsionam o desenvolvimento e a adoção das células a combustível Com suas diversas aplicações e benefícios ambientais essas células têm o potencial de revolucionar a forma como geramos e consumimos energia promovendo um futuro mais verde e eficiente Figura 1 Fuel Cell 11 Aplicações As células a combustível Fuel Cells têm diversas aplicações em vários setores devido à sua eficiência e versatilidade na geração de energia limpa Algumas das principais aplicações incluem 1 Transporte Sustentável As células a combustível podem alimentar uma variedade de veículos elétricos incluindo carros ônibus trens e barcos Esta tecnologia oferece uma alternativa eficiente e ecológica aos combustíveis fósseis tradicionais ajudando a reduzir significativamente as emissões de poluentes e promovendo um futuro mais sustentável no transporte 2 Energia Estacionária Utilizadas como fonte de energia para residências empresas e indústrias as células a combustível fornecem eletricidade e calor de maneira limpa e eficiente Elas são particularmente úteis em áreas remotas ou em locais que necessitam de uma fonte de energia confiável e sustentável 3 Eletrônicos Portáteis Essas células são ideais para alimentar dispositivos eletrônicos portáteis como laptops celulares e drones Elas oferecem uma fonte de energia de longa duração e permitem recarregamentos rápidos atendendo à crescente demanda por dispositivos móveis mais eficientes e com maior autonomia 4 Aplicações Espaciais Devido à sua confiabilidade e à capacidade de produzir energia elétrica a partir de hidrogênio as células a combustível são amplamente empregadas em missões espaciais A eficiência e a viabilidade dessas células no espaço tornamnas essenciais para a exploração espacial e para a operação de equipamentos em ambientes extraterrestres 5 Backup de Energia As células a combustível são utilizadas como sistemas de backup de energia em locais críticos como hospitais e data centers Em emergências elas garantem uma fonte de energia estável e confiável essencial para a continuidade de serviços vitais e para a proteção de dados importantes Neste relatório será realizada uma análise detalhada dos dados de corrente e potencial elétrico medidos a partir de uma célula a combustível Além disso serão mensurados o coeficiente de transferência alfa e a densidade de corrente de troca j0 utilizando a equação de Tafel Esta análise permitirá uma compreensão mais profunda do desempenho e da eficiência das células a combustível contribuindo para o desenvolvimento e a otimização dessa tecnologia promissora 2 Revisão bibliográfica A equação de Tafel é um modelo matemático que descreve a cinética eletroquímica de reações em elétrodos sendo uma ferramenta essencial para a compreensão e análise das taxas de reações eletroquímicas Proposta por Julius Tafel esta equação é especialmente relevante para o estudo das reações que ocorrem em células a combustível onde a eficiência e o desempenho são de extrema importância A equação de Tafel estabelece uma relação entre a densidade de corrente e a diferença de potencial eletroquímico em um elétrodo Essa relação é fundamental para determinar a eficiência das reações eletroquímicas permitindo que pesquisadores e engenheiros compreendam melhor os processos que ocorrem dentro das células a combustível A partir dessa compreensão é possível identificar os fatores que influenciam a taxa de reação e consequentemente o desempenho do dispositivo O modelo de Tafel é crucial para a análise e otimização das células a combustível Ele permite ajustes precisos nos materiais utilizados e nas condições operacionais visando aumentar a eficiência e a estabilidade das reações eletroquímicas Por exemplo ao entender como a densidade de corrente varia com a diferença de potencial os cientistas podem modificar os catalisadores e outros componentes dos elétrodos para melhorar a atividade eletroquímica e reduzir as perdas de energia Além disso a equação de Tafel ajuda a identificar os principais desafios e limitações das células a combustível como a sobrepotencial de ativação que representa a energia extra necessária para iniciar a reação eletroquímica Ao abordar essas limitações através de melhorias nos materiais e nas técnicas de fabricação é possível desenvolver células a combustível mais eficientes e com maior durabilidade Figura 2 Distribuição dos Parâmetros de Corrente pelo Potencial 3 Resultados Obtidos Para a obtenção dos valores de alfa e j iniciaremos os cálculos para Densidade de Corrente mAcm² a Perda de Potencial V e a Densidade de Corrente Logarítmica através das seguintes informações 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑚𝐴 𝑀𝐸𝐴 𝑐𝑚2 Onde MEA 576mm² 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑀í𝑛𝑖𝑚𝑜 𝑉 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙𝑖𝑉 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝐿𝑜𝑔𝑎𝑟í𝑡𝑚𝑖𝑐𝑎 ln 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 Dessa forma obtivemos os seguintes resultados apresentados nas tabelas de cada teste Teste 1 Tabela 01 Dados do Teste 01 10 primeiros valores Figura 3 Distribuição dos Parâmetros de Corrente pelo Potencial TESTE 1 Nafion Azul Seco Hidrogênio 12 mlmin Tempo Corrente A Potencial V Corrente mA Densidade de Corrente mAcm² Perda de Potencial V 20141924 0195505 0039101 195505 352464848 0957966 20141667 0179213 0053763 179213 3437637568 0943304 20141412 0183285 0073314 183285 3460104844 0923753 20141157 0185729 0092864 185729 3473351147 0904203 20140902 0187358 0112414 187358 348208375 0884653 20140646 0181539 0127077 181539 3450533032 086999 20140392 0177175 014174 177175 342620047 0855327 20140135 0179212 016129 179212 3437631988 0835777 20135880 0171066 0171065 171066 3391111972 0826002 20135624 0159958 0175953 159958 3323973806 0821114 Em seguida devemos calcular a variável Slope através do seguinte equacionamento 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 ln 𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑙𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 ln 𝑙𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 0957966 026882 3524649 196046 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 0337 O próximo passo é o cálculo de α o qual respeita a seguinte formulação 𝛼 𝑅 𝑥 𝑇 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 𝑥 𝑛 𝑥 𝐹 8314 𝑥 29815 0336822 𝑥 2 𝑥 96400 𝛼 0038 Finalizada essa parte traçamos um gráfico de Perda de Potencial x Densidade de Corrente a fim de obtermos o valor que corta o eixo das abscissas Nesse caso conforme Gráfico 1 obtivemos o valor de k 22 Desse modo 𝑗0 𝑒𝑘 𝑒175 𝑗0 576 𝑚𝐴 Figura 4 Perda Potencial x Densidade de Corrente TESTE 1 Teste 21 Tabela 2 Dados do Teste 21 10 primeiros valores Figura 5 Distribuição dos Parâmetros de Corrente pelo Potencial TESTE 21 Em seguida foi calculada a variável Slope 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 ln 𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑙𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 ln 𝑙𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 0782014 0303031 3236957882 1933550871 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 0367 O próximo passo é o cálculo de α o qual respeita a seguinte formulação 𝛼 𝑅 𝑥 𝑇 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 𝑥 𝑛 𝑥 𝐹 8314 𝑥 29815 0367485364 𝑥 2 𝑥 96400 𝛼 0035 O último passo é o cálculo de 𝑗0 𝑗0 𝑒𝑘 𝑒26 𝑗0 1346 𝑚𝐴 Nafion Azul Úmido Hidrogênio Cátodo Célula Invertida 12 mlmin Tempo Corrente A Potencial V Corrente mA Densidade de Corrente mAcm² Perda de Potencial V 20352364 0024438 0004888 24438 1445201823 0933528 20352109 0032584 0009775 32584 1732883896 0928641 20351854 0036657 0014663 36657 1850666931 0923753 20351598 0048876 0024438 48876 2138349004 0913978 20351343 0057022 0034213 57022 2292499684 0904203 20351089 0055858 0039101 55858 2271875281 0899315 20350832 0054985 0043988 54985 2256122946 0894428 20350578 0059737 0053763 59737 2339014119 0884653 20350321 0058651 0058651 58651 2320667151 0879765 20350067 0053319 0058651 53319 2225355266 0879765 Figura 6 Distribuição dos Parâmetros de Corrente pelo Potencial TESTE 21 Teste 22 Tabela 3 Dados do Teste 22 10 primeiros valores Nafion Azul Úmido Hidrogênio Ânodo 12 mlmin Tempo Corrente A Potêncial V Corrente mA Densidade de Corrente mAcm² Perda de Potencial V 20490521 0097753 001955 97753 2831506414 0909091 20490267 0097752 0029326 97752 2831496184 0899315 20490010 0109971 0043988 109971 294927922 0884653 20485755 0107527 0053763 107527 2926804504 0874878 20485501 0114044 0068426 114044 2985646864 0860215 20485244 0111717 0078201 111717 2965031413 085044 20484990 0109971 0087977 109971 294927922 0840664 20484733 0108613 0097752 108613 2936853631 0830889 20484479 0107527 0107527 107527 2926804504 0821114 20484222 0102195 0112414 102195 2875945278 0816227 Figura 7 Distribuição dos Parâmetros de Corrente pelo Potencial TESTE 22 Em seguida foi calculada a variável Slope 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 ln 𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑙𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 ln 𝑙𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 0782014 0303031 3236957882 1933550871 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 0367 O próximo passo é o cálculo de α o qual respeita a seguinte formulação 𝛼 𝑅 𝑥 𝑇 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 𝑥 𝑛 𝑥 𝐹 8314 𝑥 29815 0367485364 𝑥 2 𝑥 96400 𝛼 0035 O último passo é o cálculo de 𝑗0 𝑗0 𝑒𝑘 𝑒26 𝑗0 1346 𝑚𝐴 Figura 8 Distribuição dos Parâmetros de Corrente pelo Potencial TESTE 22 Teste 31 Tabela 4 Dados do Teste 31 10 primeiros valores Célula Cinza 1ª Polarização Tempo Corrente A Potêncial V Corrente mA Densidade de Corrente mAcm² Perda de Potencial V 16463156 0 0 0 0 0249267 16462900 0 0 0 0 0249267 16462645 0012219 0004888 12219 0752054643 0244379 16462389 001955 0009775 1955 1222037812 0239492 16462134 0024438 0014663 24438 1445201823 0234604 16461879 0027929 001955 27929 1578728101 0229717 16461623 0024438 001955 24438 1445201823 0229717 16461368 0027153 0024438 27153 1550550063 0224829 16461112 0029326 0029326 29326 162753702 0219941 16460857 002666 0029326 2666 153222684 0219941 Figura 9 Distribuição dos Parâmetros de Corrente pelo Potencial TESTE 31 Em seguida foi calculada a variável Slope 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 ln 𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑙𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 ln 𝑙𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 0782014 0303031 3236957882 1933550871 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 0367 O próximo passo é o cálculo de α o qual respeita a seguinte formulação 𝛼 𝑅 𝑥 𝑇 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 𝑥 𝑛 𝑥 𝐹 8314 𝑥 29815 0367485364 𝑥 2 𝑥 96400 𝛼 0035 O último passo é o cálculo de 𝑗0 𝑗0 𝑒𝑘 𝑒26 𝑗0 1346 𝑚𝐴 Figura 10 Distribuição dos Parâmetros de Corrente pelo Potencial TESTE 31 Teste 32 Tabela 5 Dados do Teste 32 10 primeiros valores Célula Cinza 2ª Polarização Tempo Corrente A Potêncial V Corrente mA Densidade de Corrente mAcm² Perda de Potencial V 17000368 0 0 0 0 0522972 17000112 0 0 0 0 0522972 16595857 0012219 0004888 12219 0752054643 0518084 16595601 001955 0009775 1955 1222037812 0513197 16595346 0024438 0014663 24438 1445201823 0508309 16595090 0027929 001955 27929 1578728101 0503422 16594836 0030547 0024438 30547 1668329006 0498534 16594579 0027153 0024438 27153 1550550063 0498534 16594325 0029326 0029326 29326 162753702 0493646 16594069 002666 0029326 2666 153222684 0493646 Figura 11 Distribuição dos Parâmetros de Corrente pelo Potencial TESTE 32 Em seguida foi calculada a variável Slope 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 ln 𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑙𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 ln 𝑙𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 0782014 0303031 3236957882 1933550871 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 0367 O próximo passo é o cálculo de α o qual respeita a seguinte formulação 𝛼 𝑅 𝑥 𝑇 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 𝑥 𝑛 𝑥 𝐹 8314 𝑥 29815 0367485364 𝑥 2 𝑥 96400 𝛼 003 O último passo é o cálculo de 𝑗0 𝑗0 𝑒𝑘 𝑒26 𝑗0 1346 𝑚𝐴 Figura 12 Distribuição dos Parâmetros de Corrente pelo Potencial TESTE 32 Teste 33 Tabela 6 Dados do Teste 33 10 primeiros valores Célula Cinza 3ª Polarização Falhou o MEA Zerou em 2 Tempo Corrente A Potêncial V Corrente mA Densidade de Corrente mAcm² Perda de Potencial V 1742590 0 0 0 0 0 0488759 1742564 4 0 0 0 0 0488759 1742538 9 0 0 0 0 0488759 1742513 3 0 0 0 0 0488759 1742487 9 0 0 0 0 0488759 1742462 2 0 0 0 0 0488759 1742436 8 0 0 0 0 0488759 1742411 2 0 0 0 0 0488759 1742385 7 0 0 0 0 0488759 1742360 1 0 0 0 0 0488759 Figura 13 Distribuição dos Parâmetros de Corrente pelo Potencial TESTE 33 Em seguida foi calculada a variável Slope 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 ln 𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑙𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 ln 𝑙𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 0782014 0303031 3236957882 1933550871 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 0367 O próximo passo é o cálculo de α o qual respeita a seguinte formulação 𝛼 𝑅 𝑥 𝑇 𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 𝑥 𝑛 𝑥 𝐹 8314 𝑥 29815 0367485364 𝑥 2 𝑥 96400 𝛼 003 O último passo é o cálculo de 𝑗0 𝑗0 𝑒𝑘 𝑒26 𝑗0 1346 𝑚𝐴 Figura 14 Distribuição dos Parâmetros de Corrente pelo Potencial TESTE 33 4 Conclusão Com base na análise dos gráficos e resultados fornecidos o Teste 1 Cinza apresenta o melhor desempenho global O Teste 1 alcança correntes significativamente mais altas em comparação com os outros testes no gráfico de Potencial V x Corrente A Isso indica que para um dado potencial o Teste 1 é capaz de fornecer mais corrente o que é uma indicação de menor resistência e maior eficiência do sistema Os outros testes Teste 21 22 31 32 33 apresentam correntes menores sugerindo uma performance inferior quando comparados ao Teste 1 No gráfico de Perda de Potencial V x Densidade de Corrente lnmAcm2 o Teste 1 Cinza mostra uma curva que indica uma menor perda de potencial para uma mesma densidade de corrente Isso significa que o Teste 1 é mais eficiente em termos de energia apresentando menor sobrepotencial e consequentemente menor desperdício de energia Testes como 21 Laranja e 22 Amarelo apresentam curvas onde a perda de potencial é maior em densidades de corrente mais altas indicando que são menos eficientes pois perdem mais energia para alcançar a mesma densidade de corrente que o Teste 1 Testes 31 Verde 32 AzulClaro e 33 AzulEscuro também apresentam maiores perdas de potencial em densidades de corrente mais baixas quando comparados ao Teste 1 reforçando que são menos eficientes Em termos de eficiência energética o Teste 1 se destaca por sua menor perda de potencial para uma dada densidade de corrente indicando uma maior eficiência energética A habilidade do Teste 1 de alcançar correntes mais altas para o mesmo potencial mostra que ele tem uma capacidade de corrente superior o que é desejável em muitas aplicações Em aplicações práticas onde a eficiência e a capacidade de corrente são cruciais como em baterias células de combustível ou outros dispositivos eletroquímicos o Teste 1 Cinza seria a escolha preferida A maior eficiência e capacidade de corrente do Teste 1 podem levar a melhores desempenhos operacionais e menores custos de operação a longo prazo Portanto o Teste 1 Cinza se destaca como o melhor entre os testes analisados demonstrando maior eficiência energética e capacidade de corrente Esses fatores combinados indicam uma performance superior em comparação com os demais testes tornandoo a opção mais adequada para aplicações que exigem alta eficiência e capacidade de corrente