Ce Lula Combust i Vel

8/16/2019 Ce Lula Combust i Vel

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Células a CombustívelUNIFOR

Histórico

O princípio das células combustível foi descoberto muito antes do

desenvolvimento da eletroquímica, em 1839 pelo físico britânico William Robert Grove

(1811-1896).

A primeira célula a combustível a hidrogênio-oxigênio, era composta por duas

tiras de platina imersas em água acidulada; a parte superior de uma delas era exposta

ao hidrogênio, e a outra ao oxigênio. A descoberta permaneceu por muitos anos como

uma curiosidade de laboratório. Mais tarde em 1880, dois químicos ingleses Ludwing

Mond e Carl Langer, desenvolveram uma célula a combustível de maior durabilidade

empregando um monocondutor poroso para manter o eletrólito.

No início do século XX Fritz Haber, Walther H. Nernst, e Edmond Bauer

experimentaram células com eletrólito sólido. O êxito limitado e o elevado custo

interrompeu o desenvolvimento das células.

A partir de 1932 e até após a segunda guerra mundial, Francis T. Bacon e

colaboradores de Cambridge, desenvolveram uma célula a combustível hidrogênio-

oxigênio com eletrólito alcalino. Suas pesquisas resultaram na descoberta do eletrodo

difusor de gás, no qual o combustível gasoso em contato com um dos lados do eletrodo,

é efetivamente mantido sob controle e em contato com um eletrólito aquoso do outro

lado.

A necessidade de sistemas eficientes e estável de energia para satélites e

espaçonaves, criaram novas oportunidades para o desenvolvimento da célula a

combustível durante as décadas de 50 e 60. A National Aeronautics and Space

Administration (NASA), depois de descartar a possibilidade de uso de reatores nucleares

por serem de alto risco, as baterias por serem pesadas e de vida curta, e a energia

fotovoltaica de difícil manejo para uso em missão espacial, decidiu investir maciçamente

no desenvolvimento de um sistema compacto de geração de eletricidade, a célula

combustível. Hoje as células combustível produzem com segurança energia e água para

os astronautas, e foi usada nas missões APOLLO e SPACE SHUTTLE.

O quadro 1 relata as principais descobertas que deram origem a eletroquímica,

e o aparecimento da célula a combustível.


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Quadro 1 – Principais descobertas ocorridas no século XIX, que deram origem aeletroquímica

Ano Evento Descobridor Época em que viveu

1800 Eletrólise da água Nicholson e

Carlisle

1753 – 1815

1768 – 1840

1807 Obtenção dos metais alcalinos por

eletrólise

Davy 1778 – 1829

1811 Arco elétrico de carvão,

alimentado por pilhas elétricas

Davy 1778 – 1829

1821 Efeito Seebeck Seebeck 1770 – 1831

1833 Leis da eletrólise Faraday 1791 - 18671836 Pilha elétrica de dois eletrólitos Daniell 1790 - 1845

Revestimento eletrolítico Elkington 1801 - 1865

1837 Galvanoplastia Jacob 1779 -1848

1839 Pilha de combustível William Grove 1811-1896

Introdução

As novas legislações do meio ambiente, estão pressionando as indústrias a

darem uma solução prática e rápida, para a redução do impacto ambiental causado pela

poluição decorrente da queima de combustíveis fósseis, em especial a emitida pelos

veículos e termoelétricas. Estados Unidos, Canada, Europa e Japão já estão

estabelecendo metas de redução gradual de poluentes. No estado da Califórnia o

governo estabeleceu que a partir do ano 2003, 10% de todos os veículos produzidos

deverão ter baixa ou emissão zero.

Nos Estados Unidos aproximadamente 70% da eletricidade gerada, provem da

utilização de combustíveis fósseis. Os prejuízos causados no ambiente e na saúde de

pessoas, devido ao uso de combustíveis derivados do petróleo, é estimado entre $11 a

$187 milhões por ano.

Toda nova aquisição de veículos pelo governo federal, estadual e municipal, e deempresas particulares de transportes de pequenas cargas, serão obrigadas a terem

determinado número de veículos de baixa emissão. Isto forçará o crescimento do

mercado de veículos de baixa emissão ou de emissão zero, (principalmente ônibus e

veículos tipo van), e a utilização de fontes eficientes e limpas de energia.


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Um mecanismo denominado célula a combustível, é capaz produzir eletricidade

convertendo diretamente, eficientemente e de forma contínua, a energia química de

um combustível, em energia elétrica na forma de corrente contínua por meio de

processos eletroquímicos, sem a ocorrência de combustão e a necessidade de partes

móveis. Devido a isto, o processo não está sujeito às restrições do ciclo de Carnot. Como

consequência, as células a combustível são capazes de produzir energia elétrica commaior eficiência, silenciosamente, sem poluição, e com maior autonomia. Estas

características as tornam propícias para operarem como centrais estacionárias de

energia, movimentação de veículos, navios, submarinos, etc. Sua eficiência (60 %, ao

passo que em qualquer processo de conversão térmica a eficiência é inferior a 40 %) é

praticamente independente da potência, o que não é verdade para os sistemas de

potência convencionais, cuja eficiência é baixa para pequenas unidades, tornando-se

razoável somente para grandes capacidades. A figura 1 mostra a eficiência de conversão

de vários sistemas em energia elétrica.

Fig. 1 – Eficiência de conversão de diversos combustíveis em energia elétrica

A alta eficiência das células combustível permite que, para uma mesma

quantidade de energia requerida, menos combustível e compartimento menor para

armazenamento de combustível são necessários. Por esta razão, as células a

combustível são um atrativo para missões espaciais e para situações em que o custo do

combustível é caro e de difícil fornecimento. Para paises com limitadas fontes

alternativas, as células combustível representam uma solução promissora, por exemplo,

para o Japão. A célula combustível tem uma eficiência na utilização de energia acima

dos sistemas convencionais de combustão, por não requerer os mecanismosintermediários necessários à conversão da energia (figura 2), como turbinas, pistões,

etc. Estas características as fazem eficientes mesmo em tamanhos reduzidos.


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Fig. 2 – Conversão da energia primária em energia útil

As células de combustível estão sendo consideradas como a mais promissora

fonte de energia do futuro, e reúne todas os requisitos necessários à preservação do

meio ambiente, e às necessidades de energia do mundo moderna, em outras palavras,

são fontes limpas, seguras e altamente eficientes. As pesquisas realizadas nos últimos

20 anos colocaram as células a combustível na iminência da comercialização. As células

a combustível deixaram de ser ensaios de laboratórios ou demonstração de um

princípio para uso futuro; estão cada vez mais economicamente viável, e em algumas

situações competitiva com as tecnologias de geração de energia convencional. Sistemas

de célula a combustível práticos, competitivos, e eficientes ficaram disponíveisrecentemente e hoje são geradores estacionários de energia para centenas de edifícios

espalhados pelo mundo, e com os custos reduzindo a cada ano. Veículos protótipos com

célula combustível fabricados pela Daimler-Benz e Toyota, estão circulando deste 1996

nas cidades Chicago e Vancouver. Acredita-se que em cinco anos, estes veículos já

estarão disponíveis para os consumidores, e em 1999 pequenas frotas de ônibus já

poderão operar comercialmente com estas células.

As células a combustível é de interesse de tantos países, que em 1991 foi

fundado na Alemanha, o Conselho Mundial de Célula a Combustível. Trata-se de uma

associação não lucrativa que congrega vários fabricantes de célula a combustível,

provedores de material, companhias envolvidas no desenvolvimento de uma variedadede tecnologias de célula a combustível para aplicações estacionárias e móveis, etc. O

objetivo do conselho é promover o uso desta tecnologia, considerada de extrema

importância para o futuro do bem estar da população dos países industrializados.

No Brasil, em razão do grande potencial hidroenergético, a utilização de células

a combustível como sistema estacionário de geração de energia, poderá ser viável em


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locais remoto de baixa densidade populacional por meio do emprego de unidades com

potência de até 100 kW.

Outra aplicação para as células a combustível no Brasil, é o uso em

telecomunicações, que em geral, requerem geradores de baixa potência. Nos Estados

Unidos e Alemanha as forças armadas têm utilizado com sucesso estes dispositivos.

Vantangens das células combustível

Sendo de dimensões variadas, podem ser instaladas no próprio local de

utilização, principalmente no meio urbano, sem causar impacto ambiental,

barulho, poluição, congestionamento (espaço), etc.;

De operação confiável, pode ser utilizada na substituição dos sistemas elétricos

quando em manutenção, ou o contrário, reduz a freqüência de utilização deequipamentos de emergência na substituição dos sistemas elétricos quando

solicitados;

Possibilita o atendimento com confiabilidade, a consumidores ligados à rede

elétrica quando esta por alguma razão sofre black-out, queda de linha, ou

necessita de suprimento extra, principalmente em horário de pico;

A célula combustível é mais econômica e confiável que qualquer outra fonte

alternativa de energia que utiliza parte móvel, onde haja necessidade de uso

contínuo de energia como hospitais, centros de computação, telecomunicações,

etc.

Equipamentos eletrônicos de alta sensibilidade em laboratórios, exigem

fornecimento de energia elétrica sem ruído ou distúrbios comuns nos sistemas

de fornecimento convencional. As células combustível fornece potência elétrica

confiável e de qualidade, e elimina a necessidade de custosos geradores de

emergência ou de fornecimento contínuo;

As células combustível pode contribuir para a redução dos elevados custos com

construção de redes e distribuição de energia elétrica, para o atendimento de

novos consumidores (reforço da rede elétrica). A célula a combustível podeatender demandas em horário de pico, evitando sobre cargas nas rede das

concessionárias, incerteza no fornecimento, riscos na geração, necessidade de

investimento em novas usinas, etc.

As células combustível são sistemas modulares que podem ter sua capacidade

aumentada de acordo com o crescimento da demanda;


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São de eficiência superior as usinas a combustível fóssil, 55 % contra 34 %. São

capazes de produzirem eletricidade muito eficientemente em unidades de

dimensões pequenas, sem poluir o ambiente;

Podem ser alimentadas com uma gama de tipos variados de combustíveis: gásnatural, etanol, metanol, diesel, gasolina, biogás, etc;

O calor residual pode ser utilizado para refrigeração por absorção, produção de

vapor, aquecimento de água utilizável nas dependências do consumidor;

eliminando investimentos em caldeiras e chillers.

Apresenta resposta rápida a flutuações de demanda;

Baixo custo de manutenção;

Baixa relação volume/potência

Apresenta, ainda, elevado custo inicial de implantação ($3000/kW)

Principio de funcionamento

Um sistema de potência constituído por células a combustível consiste

basicamente de três sub-sistemas, o primeiro realiza o processamento do combustível,

convertendo-o num mistura gasosa rica em hidrogênio; o segundo, a célula

propriamente dita, converte a energia química desta mistura em eletricidade e energia

térmica, e o terceiro, o inversor, transforma a corrente contínua em alternada para a

utilização final.

Uma diferença marcante entre a célula a combustível e a bateria, é o fato da

bateria ser um acumulador de carga que se esgota à medida que é utilizada, e cuja

capacidade depende da quantidade da massa de reagentes químicos armazenados.

Quando os reagentes são completamente consumidos, a bateria precisa ser recarregada

antes de ser utilizada novamente. A célula a combustível não constitui um armazenador

de carga, sim um gerador contínuo de energia enquanto for mantido os fluxos de

reagentes (hidrogênio e oxigênio) em seus elétrodos. Desta forma, as células acombustível não são exaurível, e não necessitam de recarga. As células a combustível

assemelham-se às baterias somente quanto à maneira de associar seus elementos, o

que possibilita a obtenção de tensão de saída de vários volts.

Um sistema a célula de combustível é formada por várias células cada uma

com um anodo e um catodo ativados cataliticamente. Ambos elétrodos são imersos


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separadamente em um meio sólido ou líquido, denominado eletrólito, que permite a

passagem de íons entre os eletrodos, mas impermeável ao fluxo de elétrons. O

combustível é o hidrogênio, ou o hidrogênio reformado de um hidrocarboneto tal como

metanol ou gás natural, e o oxidante o oxigênio do próprio ar. O hidrogênio é

alimentado no anodo e através do processo de oxidação libera elétrons e íons

hidrogênio (prótons). Os prótons são transmitidos através do eletrólito para o catodoonde combinam com oxigênio (oxidante) para forma água. Os elétrons remanescentes

como não podem passar pelo eletrólito, se movem por um circuito externo em direção

ao catodo, produzindo a corrente elétrica (figura 5).

A diferença entre o nível de energia entre os elétrodos, denominado de força

eletromotriz, constitui a voltagem de cada célula. Abastecida com hidrogênio puro, o

nível de emissão de poluentes pelas células combustível é zero. A utilização de gás

natural como fonte de hidrogênio, emite uma quantidade de poluição desprezível: 0,45

ppm de N0x, 2 ppm de CO, 4 ppm de HC, muito inferior a emitida por este mesmocombustível quando em combustão.

Em síntese, a célula a combustível contém dois eletrodos (um positivo e outro

negativo) e placas separadoras estriada para permitir a circulação do oxigênio e

hidrogênio. Os gases são difundidos através dos eletrodos, constituídos por folhas de

grafite, teflon (polytetrafluoroetileno), platina ou ouro, que por sua vez fica em contato

com o eletrólito, contido por uma matriz de carbeto de silício. Os elementos que

Gás

H2

Gás

H2

Anodo

Matri

Catodo

Ar

H2

2e-

2H+ ½ O2

2e

H2O

Carga- +

Fig. 5 – Princípio de funcionamento da célula a combustível


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compõem uma célula combustível (anodo, catodo, matriz de eletrólito), são dispostos

em camadas laminadas, semelhante a um sandwich. Essas camadas têm consistência

porosa e espessura inferiores a 1 mm. O conjunto de lâmina que compõe um elemento

de célula combustível (anodo, catodo e matriz) é fechado por uma placa bipolar que

conecta o anodo de uma célula com o catodo da próxima célula da seqüência, formando

uma pilha de célula. Separando os eletrodos esta a camada do eletrólito contida numamatriz. A estrutura da camada bipolar garante a uniformidade da distribuição dos gases

reagentes sobre as superfícies dos eletrodos (combustível e oxidante alimentam anodo

e catodo através de separados “manifolds”) e a transmissão da corrente do catodo de

uma célula para o anodo da próxima (figura 6). Uma célula individual gera uma

voltagem pequena, da ordem de 07, a 1,0 Volt.

Fig. 6 – Elementos que compõem uma célula a combustível, e caminhos por onde

circulam combustível e oxigênio

Quando o hidrogênio é fornecido à célula alimentando os eletrodos, um

catalizador sobre o anodo converte o gás hidrogênio em cargas negativas (elétrons) e

positivas (íons H+) . Cada molécula de hidrogênio ioniza-se cedendo dois elétrons. O íon

hidrogênio migra através do eletrólito em sandwich entre os eletrodos em direção ao

catodo onde combina com oxigênio e elétrons para produzir água. Os elétrons

remanescentes fluem (e-) através de um circuito externo para o catodo formando a

corrente elétrica. De imediato, surge a diferença de potencial entre os eletrodo daordem de 1 volt, em circuito aberto.

A reação do oxigênio com o hidrogênio faz com que a eletricidade passe

através do sistema fechado por placas coletoras de cobre, onde estão colocados os

terminais de carga. A potência vai depender do número de células conectadas em série.


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Para ser competitiva em relação às modernas usinas termoelétricas, os

sistemas a célula a combustível devem apresentar pequenas perdas elétricas interna,

eletrodos resistentes a corrosão, eletrólito de composição constante, catalisador de

baixo custo, e ser ecologicamente aceitável.

Um eletrodo é constituído por finas lâminas ou folhas que possui uma camadaa prova de água, geralmente teflon (polytetrafluoroetileno), uma camada de um

catalisador (ouro, platina, ou um complexo organometálico a base de carbono), e uma

camada condutora para carrear os elétrons gerados.

Obs.: Como em todos os sistemas eletroquímicos, a operação de uma célula a

combustível depende da temperatura. A atividade química é menor sob temperaturas

baixas (0 C). Temperaturas elevadas favorecem o processo, mas pode reduzir a vida útil

das células e dos seus acessórios. Desta forma, cada tipo de célula a combustível é

projetada para operar dentro de uma faixa de temperatura, de modo a não

comprometer sua capacidade de produção de energia e sua vida útil.

Combustível utilizado

Qualquer combustível rico em hidrogênio pode ser utilizado na célula

combustível, como gás natural, propano, gás de aterros, biogás, gás das minas de

carvão, combustíveis líquidos como metanol, gasolina, etc. Estes combustíveis são

submetidos a reforma catalítica donde se obtém o hidrogênio. Fontes renováveis de

energia como energia eólica e energia solar, podem ser utilizadas na eletrólise para

produção do hidrogênio puro. Quando se utiliza os combustíveis fósseis, eletricidade,

calor, vapor d’àgua, e dióxido de carbono são os produtos finais da reação destes

combustíveis nas célula combustível.

Reforma Catalítica Interna

Nas células do tipo DFC (Direct Fuel Cell), a reforma do combustível ocorre

dentro da pilha de célula, ou seja, o hidrogênio é produzido internamente na pilha. Isto

elimina sistema externo de reforma de combustível, como o requerido pelas PAFC, SPFC

e MCFC, nas quais um reformador separado é alimentado por uma mistura de

combustível à base de hidrocarbonetos e vapor, produzindo um gás rico em hidrogênio

que por sua vez alimenta o anodo da célula.. Três vantagens resultam da reforma

interna do combustível:a)

não há custos com equipamento separado para processar o combustível;

b)

custo do equipamento é menor, mais simples de operar e de maior confiabilidade;

c)

eficiência do sistema maior.

As reações eletroquímicas envolvidas no anodo de uma célula do tipo MCFC na

reforma do gás natural são:


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CH4 + H2O 3H2 + CO

3H2 + 2CO3-2 3H2O + 3CO2 + 6e-

CO + CO3-2 2CO2 + 2e-

Reação resultante: CH4 + 4CO3-2 2H2O + 5CO2 + 8e-

A figura 8 ilustra a reforma interna numa célula a combustível.

Fig 8 – Célula a combustível com reforma interna

Estrutura de uma célula combustível

Para desenvolver maiores voltagens, as células são empilhadas e conectadas

em série. As células ERC comerciais da classe megawatt (DFC) possuem pilhas individuais

com 340 células. Várias pilhas são associadas dentro de um “ truck” (módulo), para

transporte até o local de instalação (consumidor). A potência desejada é obtida

adquirindo um ou mais módulos no local. A vida útil das unidades comerciais pode

chegar até 40.000 horas.

Em Santa Clara, California, está a maior unidade de produção de energia

elétrica a célula combustível (a carbonato) dos Estados Unidos. Produz 1,8 MW AC,

contém mais de 4000 células individuais agrupadas dentro de 16 pilhas, cada uma capaz

de produzir 125 kW de potência em corrente contínua.


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Tipos de células a combustível

Proton Exchange Membrane Fuel celular (PEM)

Célula Combustível de Metanol Directo (DMFC)

Fuel Cell alcalina (AFC)

Célula de combustível de ácido fosfórico (PAFC) Celular Molten Carbonato de combustível (MCFC)

Células a combustível de óxido sólido (SOFC)

Aplicação: Centrais de Cogeração PC-25

São baseadas em células combustível a ácido fosfórico (PAFC), com potência

elétrica contínua de 200 kW/235 kVA, 480 V – 3 fases, 60 Hz, e produção de calor à

plena carga de 801,8 MJ/hora na temperatura de operação de 200C. Apresenta um

consumo de 176,5 m3

/hora de gás natural. São construídas e transportadas em móduloscompactos alojados em cabines metálicas auto-sustentáveis, para intalação ao tempo. O

sistema completo possui dois módulos:

módulo de potência: medindo 300 x 540 x 300 cm é composto pelo processador

do combustível, pilha de célula, inversor estático, transformador, sistema de

recuperação de calor e sistema de controle;

módulo de resfriamento: medindo 120 x 420 x 120 cm, contendo trocadores de

calor e 3 ventiladores;

Central de

Cogeração

Cargas

Críticas

Cargas

Concessionária

Fig. 12 – Sistema de cogeração em operação normal


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Central de Cogeração

Cargas

CríticasCargas

Concessionária

Fig. 13 – Sistema de cogeração com falha da concessionária

Central de Cogeração

Cargas

CríticasCargas

Concessionária

Fig. 14 – Sistema de cogeração com falha da cogeradora


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Existe em todo o mundo cerca de 150 unidades a célula combustível

demonstrativas instaladas. Isto representa em torno de 40MW de energia elétrica.

Aproximadamente 75% está instalada no Japão, 15% na América do Norte e 9% na

Europa. No Japão encontram-se as seguintes unidades:

11MW instalados pela Tokyo Electric by IFC/Toshiba 5MW em centro urbano, pela Kansai Electric by Fuji

1MW de cogeneração instalados pela Tokyo Gas by Toshiba

Três usinas de 500kW instalados pela Osaka Gas by Fuji

Outras 100 unidade entre 50 e 200kW suprida pelas IFC, Toshiba, Fuji & Mitsubishi.

Na média, os custos operacionais de uma PC-25 é da ordem de 25 a 40%

menor que a no serviço convencional de energia. A eficiência elétrica é 40 %, quando

comparada com os sistemas a diesel, em torno de 36 %. Quando o calor gerado é

aproveitado para aquecimento de água, ou aquecimento e resfriamento de espaços, a

eficiência de uma PC25 chega a 85 %.

O custo de produção de PC-25 caiu pela metade nos últimos dois anos,

estando em $3000/kW. Reduções significativas são esperadas à medida que o volume

de vendas aumentam, e o programa de redução de custos vão sem executado.

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