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Tipo: Trabalho de Conclusão de Curso
Título: MICROCANAIS BIOINSPIRADOS OTIMIZADOS PELO ALGORITMO SLIME MOLD APLICADOS À DISTRIBUIÇÃO DE REAGENTES EM CÉLULAS A COMBUSTÍVEL DO TIPO PEM
Autor(es): Andrade, Santyago Ferreira
Primeiro Orientador: Leão, Hugo Leonardo Souza Lara
Primeiro Membro da Banca: Leão, Hugo Leonardo Souza Lara
Segundo Membro da Banca: Favareto, Rogério
Terceiro Membro da Banca: Barbosa Junior, João Areis Ferreira
Resumo: O desempenho de células a combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC) depende da eficiência com que os reagentes são distribuídos pelos canais das placas bipolares, pois a má distribuição dos gases gera regiões de baixa renovação, perdas por transporte de massa e aumento da perda de carga. Este trabalho avaliou, por dinâmica dos fluidos computacional (CFD), uma geometria bioinspirada de microcanais baseada em ramificações pulmonares e otimizada por um algoritmo inspirado no comportamento do Physarum polycephalum, denominado Slime Mold, comparando-a com uma geometria convencional de canais paralelos. As geometrias foram geradas em Python, ajustadas em software CAD, exportadas em STL na escala de milímetros, discretizadas no OpenFOAM com blockMesh e snappyHexMesh e simuladas com o solver simpleFoam, considerando escoamento monofásico, incompressível e isotérmico de ar. Foram estudados seis casos, combinando as duas geometrias com três condições operacionais: vazão de 2 𝐿 ⋅ 𝑚𝑖𝑛−1 (condição realista), vazão de 5 𝐿 ⋅ 𝑚𝑖𝑛−1 (vazão elevada) e diferença de pressão de 200 kPa para 100 kPa (análise de sensibilidade à pressão). Na condição realista, a geometria bioinspirada apresentou perda de carga de 1,198 kPa, contra 0,639 kPa da convencional, ambas em regime laminar (Re ≈ 1586 e 1599). Na condição de vazão elevada, as perdas foram de 5,696 kPa e 3,078 kPa, respectivamente. Sob pressão elevada, a geometria convencional conduziu 158,70 𝑚3 ⋅ 𝑠−1, contra 135,43 𝑚3 ⋅ 𝑠−1 da bioinspirada. A geometria convencional apresentou, portanto, menor resistência hidráulica em todas as condições avaliadas, enquanto a bioinspirada demonstrou viabilidade metodológica de geração, discretização e simulação, mas ainda requer suavização das bifurcações, redimensionamento dos canais e equalização hidráulica dos caminhos de escoamento. Ressalta-se que a comparação é de natureza estritamente hidráulica, sem camada difusora de gás, sem água líquida e sem acoplamento eletroquímico, de modo que os resultados não representam o desempenho eletroquímico completo de uma PEMFC.
Abstract: The performance of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) depends on how efficiently the reactants are distributed along the channels of the bipolar plates, since poor gas distribution produces regions of low renewal, mass transport losses and increased pressure drop. This work evaluated, through computational fluid dynamics (CFD), a bioinspired microchannel geometry based on pulmonary branching and optimized by an algorithm inspired by the behavior of Physarum polycephalum, known as Slime Mold, comparing it with a conventional parallel channel geometry. The geometries were generated in Python, adjusted in CAD software, exported as STL files at the millimeter scale, discretized in OpenFOAM with blockMesh and snappyHexMesh, and simulated with the simpleFoam solver, considering single-phase, incompressible and isothermal air flow. Six cases were studied, combining the two geometries with three operating conditions: a flow rate of 2 𝐿 ⋅ 𝑚𝑖𝑛−1(realistic condition), a flow rate of 5 𝐿 ⋅ 𝑚𝑖𝑛−1 (high-flow condition) and a pressure difference from 200 kPa to 100 kPa (pressure sensitivity analysis). Under the realistic condition, the bioinspired geometry presented a pressure drop of 1.198 kPa against 0.639 kPa for the conventional geometry, both in laminar regime (Re ≈ 1586 and 1599). Under the high-flow condition, the pressure drops were 5.696 kPa and 3.078 kPa, respectively. Under elevated pressure, the conventional geometry carried 158.70 𝑚3 ⋅ 𝑠−1 against 135.43 𝑚3 ⋅ 𝑠−1for the bioinspired one. The conventional geometry therefore presented lower hydraulic resistance under all evaluated conditions, while the bioinspired geometry demonstrated the methodological feasibility of generation, discretization and simulation, but still requires smoothing of the bifurcations, channel resizing and hydraulic equalization of the flow paths. It should be emphasized that the comparison is strictly hydraulic, without a gas diffusion layer, liquid water or electrochemical coupling, so the results do not represent the complete electrochemical performance of a PEMFC.
Palavras-chave: células a combustível
PEMFC
microcanais
bioinspiração
Slime Mold
CFD
grafos
otimização de canais
Área do CNPq: ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
Pais: Brasil
Editor: Instituto Federal Goiano
Sigla da Instituição: IF Goiano
Campus: Campus Rio Verde
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ifgoiano.edu.br/handle/prefix/6866
Data do documento: 1-Jul-2026
Aparece nas coleções:Bacharelado em Engenharia Química

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