Células-combustível a etanol direto embarcadas em aeronaves: estudo de utilização e recuperação de calor residual

Abstract

O uso de células combustível de baixa temperatura embarcadas em aeronaves pode favorecer a geração de energia elétrica sem maiores impactos ambientais. Se, por um lado, o projeto de aeronaves atuais requer o uso de sistemas dedicados, por outro há uma maior demanda de energia elétrica a bordo. Isto significa que a pressurização da cabine, o sistema anti-gelo e a hidráulica da aeronave não devem depender da extração de ar do compressor das turbinas ou da potência de eixo. Entretanto, células combustível a hidrogênio apresentam dificuldades aos projetistas devido aos tanques de armazenamento, componentes em alta pressão e altas temperaturas para a reforma. Neste contexto, as células-combustível a etanol direto são uma tecnologia promissora. Publicações recentes mostram que, devido à baixa eficiência, células a etanol líquido em eletrólitos de membrana polimérica produzem calor residual. Conforme o Diagrama de Sankey obtido neste trabalho, 68% da energia total do combustível é convertida em calor, que deve ser gerenciado para evitar o ressecamento da membrana e o colapso do sistema. No presente trabalho um arranjo teórico de células a etanol direto é estudado. A metodologia leva em conta as demandas de energia de uma aeronave a jato de transporte regional em cada etapa do voo (táxi, decolagem, cruzeiro, descida e pouso). O trabalho apresenta uma contribuição inédita pela análise exergética do arranjo, que fornece um bom critério para a melhor escolha entre um sistema de cogeração ou recuperação de calor a bordo. Em um sistema otimizado, o calor residual pode ser utilizado no aquecimento de cabine ou aquecimento do combustível da aeronave. São apresentadas algumas estimativas de capacidade de aquecimento do combustível e da produção de água aquecida. A metodologia pode auxiliar o projetista a escolher entre duas configurações possíveis (com recuperação de calor no aquecimento de cabine ou puramente elétrico) dependendo da missão proposta para a aeronave.

The use of low temperature fuel cell stacks onboard aircrafts may provide a good way to generate electricity with less environment impact. Nowadays, the design of jet aircrafts requires embedded systems, which demand more electric power. This means that cabin air pressure, anti-icing and hydraulics should not depend on the engine bleed air or shaft power. However, hydrogen fuel cells pose difficulties for aircraft designers due to the storage tanks, high pressure systems and high temperatures for reforming. In this context, direct ethanol polimeric fuel cells are a promising technology. Recent publications show that the low efficiency of liquid ethanol in polymeric electrolyte produces waste heat. According to the Sankey Diagram obtained, 68% of the total input energy is heat that must be managed to avoid electrolyte drying and system collapse. In this article, a theoretical direct ethanol fuel cell stack is studied. The methodology takes into account the energy demands of a regional jet for each flight regime (start up, taxi, take off, cruise, descend and landing). It provides an unprecedented exergetic analysis that points out a good hint to choose between cogeneration or heat recovery onboard aircraft. The waste heat may be recovered for cabin and aircraft fuel heating in an optimized system. Some predictions for aircraft fuel heating capacity and water production are also presented. The methodology may help designers to decide which configuration is more appropriate (whether use heat recovery for cabin heating or a pure electric fuel cell stack) for the aircraft mission sought.