forum portugal energy power: "novas formas de energia"

CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL

Instituto Superior de Engenharia do Porto

Leonardo Ribeiro

Mestrado em Engenharia Mecânica

Mestrado em Energias Sustentáveis

2013


• Introdução.• O que é uma célula de combustível?• Vantagens das células de combustível.• Desvantagens das células de combustível.• Tipos de células de combustível.• Funcionamento de uma célula de combustível.• Desempenho de uma célula de combustível.• Aplicações das células de combustível.• Células de combustível e ambiente (Sociedade do hidrogénio).• Apresentação sumária do trabalho laboratorial feito no ISEP por

alunos de Engenharia Mecânica.

Sumário.


• William Grove construiu a primeira célula de combustível (CC) em 1839.

• Nessa célula ocorria electrólise ao contrário: entrada de H2 e O2; saída de electricidade.

Introdução.


Introdução: Células de combustível (CC) e

motores de combustão interna (MCI).

• No MCI há mistura íntima de reagentes. Na CC os reagentes não se misturam.

• No MCI o mecanismo cinético de combustão é composto por muitas reacções elementares. Na CC há duas reacções: no ânodo e no cátodo.

• No MCI a reacção é rápida, o que implica geração de calor. Na CC a reacção global é lenta: iões e electrões seguem caminhos diferentes.

• O MCI e as CC debitam energia enquanto forem abastecidos por reagentes.


Introdução: Células de combustível e baterias.

• As CC não se descarregam. Funcionam enquanto forem alimentadas por reagentes.

• As baterias descarregam-se e a sua carga é demorada.


O que é uma Célula de Combustível?

Vantagens.

• Mais eficientes que os MCI, pois convertem directamente energia química dos reagentes em electricidade.

• Não precisam de ser carregadas como as baterias.

• Não têm peças móveis, o que as torna silenciosas, pouco sujeitas a avarias e duráveis.

• Não produzem substâncias poluentes.

• Bom desempenho para gama alargada de potência.


• Preço muito alto.

• Fornecimento público deficiente dos reagentes consumidos pelas CC.

• Armazenamento dos reagentes consumidos pelas CC ainda é difícil.

• Por ex., no caso do H2 para propulsão automóvel, surgiriam dois problemas: (i) inexistência de postos de abastecimento de H2disseminados pelo país e (ii) sistema de armazenamento de H2, dentro do automóvel, muito pesado, volumoso e perigoso.


Desvantagens.


As CC para automóvel e as CC portáteis têm razoável relação potência/peso, mas fraca relação potência/volume, em relação ao tradicional MCI para automóvel.

Relações potência/volume e potência/peso.


Principais tipos de células de combustível.


Outros tipos de células de combustível.

Spiegel (2007) refere mais quatro tipos de células de combustível, a saber:

- CC para metanol directo (DMFC);- CC zinco ar (ZAFC);- CC de cerâmica protónica (PCFC);- CC biológicas (BFC).

Nota: As BFC convertem directamente energia bioquímica em electricidade. Usam combustíveis como glucose ou metanol, e usam microrganismos ou enzimas como catalisadores das reacções nos eléctrodos, em vez de metais preciosos.


Funcionamento de células de combustível (I).

1- As CC têm dois eléctrodos (ânodo e cátodo) separados por electrólito.

2- Nas CC os electrões são produzidos no ânodo através de reacção electroquímica de oxidação.

3- Estes electrões passam por consumidor de electricidade.

4-Os electrões são consumidos por reacção electroquímica de redução no cátodo.

Nota: oxidação produz electrões; redução consome electrões.


Funcionamento de células de combustível (II).

O funcionamento de qualquer CC depende essencialmente de quatro processos físico-químicos, a saber:

(i) alimentação da CC por reagentes,

(ii) reacções electroquímicas nos eléctrodos,

(iii) condução de electrões pelo consumidor de potência e de protões pelo electrólito e

(iv) remoção dos produtos da reacção da CC.


Funcionamento de células de combustível (III).

1- Corrente eléctrica produzida pelas CC é proporcional à área de contacto dos reagentes com os eléctrodos.

2- Para aumentar essa área as CC são planas e delgadas e os seus eléctrodos são porosos.

3- Os reagentes devem ser bem espalhados pela superfície dos eléctrodos. Para isso, em contacto com cada eléctrodo é montada uma placa em cuja face voltada para o eléctrodo estão entalhados numerosos canais estreitos por onde escoa o reagente adequado para esse eléctrodo.


Funcionamento de células de combustível (IV).

As reacções electroquímicas nos eléctrodos das CC devem ser tão rápidas quanto possível.

Há essencialmente duas estratégias para aumentar a velocidade das reacções electroquímicas nos eléctrodos das CC, a saber:

(i) melhorar o contacto dos reagentes com os eléctrodos (CC planas e delgadas, eléctrodos porosos), e

(ii) impregnar os eléctrodos com catalisadores.


Funcionamento de células de combustível (V).

A condução de electrões pelo consumidor de potência e de protões pelo electrólito deve ser tão fácil quanto possível.

O electrólito deve ser impermeável aos electrões. Para altas potências isso pode não acontecer. Daqui resultará perda de eficiência da CC.

A condução de electrões desde a CC até ao consumidor de potência é facilitada com o abaixamento da resistência eléctrica dos fios que unem esses dois dispositivos.

A condução protónica é facilitada com a diminuição da espessura do electrólito.

CÉLULAS DE COMBUSTÍVELFuncionamento de células de combustível (VI).

Reacções para as principais CC

Tipo Global Ânodo Cátodo

AFC H2+1/2O2→H2O H2+2OH-→2H2O+2e- O2+2H2O+4e-→4OH-

PEMFC H2+1/2O2→H2O H2→2H++2e- O2+4e-+4H+→2H2O

PAFC H2+1/2O2+CO2→H2O+CO2 H2→2H++2e- O2+4e-+4H+→2H2O

MCFC H2+1/2O2+CO2→H2O+CO2 H2+CO2-3→H2O+CO2+2e- O2+2CO2+4e-→2CO2-

3

SOFC H2+1/2O2→H2O H2+O2→H2O+2e- 1/2O2+2e-→O2


Funcionamento de células de combustível (VII).

Exemplo de CC: PEMFC.

• Reacção globalH2+1/2O2→H2O

• Reacção anódicaH2→2H++2e-

• Reacção catódicaO2+4e-+4H+→2H2O


Desempenho das CC: curva teórica (I).

O valor da tensão máxima teórica pode ser calculado por conceitos básicos da Termodinâmica.

Nota: densidade de corrente baseada na área de contacto entre eléctrodos e reagentes.


Desempenho das CC: curva real (II).

Curva a traço contínuo.

Perdas por activação

(baixas intensidades)

Perdas ohmicas

(gama de operação da CC)

Perdas por concentração

(altas intensidades)

Nota: densidade de corrente baseada na área de contacto entre eléctrodos e reagentes.

CÉLULAS DE COMBUSTÍVELDesempenho das CC: perdas por activação (III).

– As perdas por activação têm a ver com a energia gasta para iniciaras reacções electroquímicas nos eléctrodos das CC.

– Estas perdas baixam quando sobe a temperatura de funcionamentodas CC e quando se impregnam os eléctrodos das CC commateriais catalisadores das reacções electroquímicas.

– Para CC que consomem hidrogénio, as perdas por activação nocátodo superam largamente as mesmas perdas no ânodo, Larminieet Dicks (2003).


Desempenho das CC: perdas ohmicas (IV).

– As perdas ohmicas têm a ver, por um lado, com a resistência àpassagem de electrões pelos eléctrodos, ligadores e cabos até aoconsumidor de potência e, por outro lado, com a resistência àpassagem de protões pelo electrólito.

– Há duas maneiras de reduzir estas perdas, a saber:(i) usar eléctrodos, ligadores e cabos com a maior condutibilidadeeléctrica possível, e(ii) usar electrólitos com a menor espessura possível. Quanto menorfor a espessura do electrólito mais fácil é a viagem dos protõesdesde o eléctrodo onde são formados até ao eléctrodo onde sãoconsumidos.

– Contudo, o electrólito não deve ser tão delgado que permita curto-circuito entre os eléctrodos.

CÉLULAS DE COMBUSTÍVELDesempenho das CC: perdas concentração (V).

– As perdas por concentração derivam do facto de, à medida que osreagentes são consumidos junto dos eléctrodos as suasconcentrações descerem.

– A decida de concentrações de reagentes junto dos eléctrodoscausa perda de potência na célula de combustível.

CÉLULAS DE COMBUSTÍVELDesempenho das CC: intensidade (VI).

Numa CC a intensidade de corrente debitada relaciona-se com o gasto de combustível através da estequiometria da reacção anódica.

Por exemplo, numa PEMFC produzem-se duas moles de electrões por cada mole de H2 consumido. Cada mole de electrões é composta por 6,022×1023

electrões (número de Avogadro). O electrão tem carga eléctrica igual a 1,68×10-19 Coulomb. Por conseguinte, a intensidade produzida numa PEMFC é dada por

i = 2×nH2×NAvogadro×qelectrão.


0

10

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90

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Temperatura

(ºC)

Rendimento

(%)

Motor de Carnot

Célula de Combustível PEMFC

Polinómio (Motor de Carnot)

Polinómio (Célula de

Combustível PEMFC)

Desempenho das CC: Motor de Carnot vs PEMFC.


Aplicações das CC.


Problema Uma das soluções: Sociedade do H2.

Células de combustível e o ambiente.


Ensaio de PEMFC no ISEP em 2006/07.

Potência: 20 W;

20 células auto-humidificadas;

Membrana: Nafion 112;

Área activa: 10 cm2.


Ensaio de PEMFC no ISEP em 2006/07, V vs. I.

0

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0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

I medido [A]

V m

edid

o [V

]

Valores obtidos Curva teórica Curva Fabricante


Ensaio de PEMFC no ISEP em 2006/07, W vs I.

0

5

10

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25

30

35

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

I medido [A]

Po

tên

cia

[W

]

Potência calculada Potência fabricante


Ensaio de PEMFC no ISEP em 2006/07, Im vs Ic.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

I m

ed

ido

[A]

I calculado [A]

Observações:

• Reduzida área de reacção ⇒intensidade ≤ 4 A.

• Valores medidos são inferiores aos calculados porque houve H+

e e- que atravessaram a membrana e portanto não foram medidos.

•Diferença entre I calculado e I medido indica a permeabilidade da membrana ao fluxo de electrões.

•Permeabilidade aumenta com o aumento da carga sobre a pilha.

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