Contribuição à modelagem elétrica de uma célula combustível microbiana

Abstract

Este trabalho apresenta a análise experimental e a modelagem elétrica dinâmica de Células a Combustível Microbianas (Microbial Fuel Cells - MFCs) ao longo de aproximadamente 150 dias de operação contínua, utilizando duas configurações distintas de ânodo: carvão ativado e grafite. Técnicas de análise de séries temporais, incluindo decomposição de tendência sazonal, detecção de pontos de mudança e correlações cruzadas, foram aplicadas com o objetivo de identificar padrões de variação, estabilidade operacional e regimes de degradação e recuperação ao longo do ciclo experimental. Adicionalmente, curvas de polarização foram realizadas para avaliar o desempenho elétrico e a resistência interna das células. Os resultados quantitativos demonstraram a superioridade da configuração com ânodo de carvão ativado, que atingiu uma densidade de potência máxima de 49,0 mW/m² e resistência interna de 301 Ω, em contraste com os 33,4 mW/m² e 364 Ω obtidos na configuração com grafite. Em termos de tratamento de efluentes, ambas as células mantiveram eficiência de remoção de DQO superior a 82%. Com base nesses dados, foi proposto um modelo elétrico equivalente dinâmico, composto por elementos resistivos e capacitivos, que apresentou boa aderência aos dados experimentais, sugerindo potencial para aplicações em simulação, monitoramento e implementação futura de estratégias de gerenciamento energético.

This work presents the experimental analysis and dynamic electrical modeling of Microbial Fuel Cells (MFCs) over approximately 150 days of continuous operation, using two distinct anode configurations: activated carbon and graphite. Time-series analysis techniques, including seasonal-trend decomposition, change-point detection, and cross-correlation analysis, were applied aiming to identify variation patterns, operational stability, and regimes of degradation and recovery throughout the experimental cycle. Additionally, polarization curves were performed to evaluate the electrical performance and internal resistance of the cells. Quantitative results demonstrated the superiority of the activated-carbon anode configuration, which achieved a maximum power density of 49.0 mW/m² and an internal resistance of 301 Ω, in contrast to the 33.4 mW/m² and 364 Ω obtained in the graphite configuration. Regarding effluent treatment, both cells maintained a COD removal efficiency exceeding 82%. Based on these data, a dynamic equivalent electrical model composed of resistive and capacitive elements was proposed, which showed good agreement with the experimental data, suggesting potential for applications in simulation, monitoring, and future implementation of energy management strategies.