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  • UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

    CENTRO DE TECNOLOGIA

    DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

    CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

    Gilmar Nogueira Junior

    CÉLULA A COMBUSTÍVEL: UMA ANÁLISE DA VIABILIDADE ECONÔMICA E

    ENERGÉTICA DOS PRINCIPAIS MODELOS NO MERCADO

    Natal/RN

    2017

  • GILMAR NOGUEIRA JUNIOR

    CÉLULA A COMBUSTÍVEL: UMA ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA E ENERGÉTICA DOS PRINCIPAIS MODELOS DE MERCADO

    Trabalho de conclusão de curso apresentado

    ao departamento de Engenharia Química da

    Universidade Federal do Rio Grande do

    Norte, como requisito para a obtenção do

    Título de Engenheiro Químico.

    Orientador: Prof Eduardo Lins De Barros

    Neto

    Natal/RN

    2017

  • AGRADECIMENTOS

    Agradeço primeiramente à Deus, pela oportunidade de evoluir e de me tornar

    um ser humano melhor todos os dias, e por ter me dado forças para continuar e

    persistir nesse caminho que escolhi percorrer.

    À minha família, pelo apoio e pelos ensinamentos durante toda a minha

    trajetória, e pelo auxílio nos momentos mais difíceis.

    À minha amada, Sara, por todo amor, suporte, paciência, durante todos esses

    anos, e por ter sido a minha melhor amiga desde os tempos de escola.

    Aos amigos do curso, Jarson, Murilo, Edson, Thiago, Rafhael, Vitor e André

    que me acompanharam durante esses anos, desde o desespero das vésperas de

    provas, até os intervalos e nos momentos de lazer.

    Ao professor Eduardo Lins de Barros Neto, pela orientação durante o

    desenvolvimento do presente trabalho.

    Aos excelentes mestres que me ensinaram durante a graduação, e

    contribuíram diretamente para a minha formação profissional.

    Por fim, agradeço a todos que de alguma forma colaboraram para que eu

    finalizasse mais um ciclo.

  • RESUMO

    O presente trabalho realizou uma série de análises qualitativas e quantitativas em modelos de células à combustível. O trabalho consiste de três grandes capítulos: Hidrogênio; Célula a combustível; Nanotecnologia. O capítulo que se trata do hidrogênio irá abordar primeiramente, as características físico-químicas do hidrogênio, em seguida os modelos mais conhecidos responsáveis pela produção do hidrogênio serão demonstrados. Para o capítulo Célula à combustível, irá ser abordado o princípio de funcionamento de uma célula, seguida de características de funcionamento. Posteriormente uma abordagem aos tipos de células à combustível será realizada. Por fim, irá ser demonstrado como encontrar a eficiência teórica máxima e prática. Para o capítulo Nanotecnologia, uma abordagem teoria será efetuada e alguns projetos da nanotecnologia serão abordados. Como resultados, o modelo que mais conseguiu atender aos critérios de seleção foi, para a produção do hidrogênio, foi a eletrólise da água, que apresentou eficiência superiores as 80%. Para o quesito melhor tipo de célula a combustível, o melhor modelo foi a célula à combustível do tipo PEM. Após a seleção do modelo proposto, uma análise qualitativa e quantitativa foi realizada comparando o modelo a um motor a combustão clássico. Como resultado, foi-se observado que, com a utilização de novas práticas da nanotecnologia, modelos que antes eram viáveis apenas a nível teórico, tornou-se viável a nível prático.

    Palavras-chave: hidrogênio; célula à combustível; nanotecnologia; análise econômica e energética;

  • ABSTRACT

    The present work will perform a series of qualitative and quantitative analyzes on fuel cell models. The work consists of 3 major chapters: Hydrogen; Fuel cell; Nanotechnology. The chapter dealing with hydrogen will first address the physico- chemical characteristics of hydrogen, such as combustion and storage conditions, then the most known models responsible for the production of hydrogen will be demonstrated. For the Fuel cell chapter, the working principle of a cell will be addressed, followed by features of operation and advantages and disadvantages. Subsequently an approach to fuel cell types will be performed. Finally, it will be demonstrated how to find maximum theoretical efficiency and practice. For the chapter Nanotechnology, a theory approach will be carried out. In this chapter some nanotechnology projects will be addressed. As results, the model that most successfully met the selection criteria was, for the production of hydrogen, the electrolysis of water, which presented efficiency above 60%. For the best fuel cell type, the best model was the PEM fuel cell. After the selection of the proposed model, a qualitative and quantitative analysis was performed comparing the model to a classic combustion engine. As a result, it was observed that, with the use of new nanotechnology practices, models that were previously only feasible at the theoretical level, became practically feasible.

    Keywords: hydrogen; fuel cell; nanotechnology; economic and energy analysis;

  • LISTA DE FIGURAS

    Figura 1 - Chama proveniente da queima do hidrogênio .......................................... 15

    Figura 2 - construção básica de uma célula: eletrodos, eletrólito, circuito elétrico e

    entrada de matéria prima .......................................................................................... 27

    Figura 3 - reações ocorridas no ânodo e no cátodo para CC do tipo PEM, havendo

    migração do próton H+ através do eletrólito e corrente elétrica que carrega um motor

    elétrico. ...................................................................................................................... 27

    Figura 4 - reações ocorridas no ânodo e no cátodo para CC do tipo AFC, havendo

    migração do íon OH- através do eletrólito e corrente elétrica que carrega um motor

    elétrico. ...................................................................................................................... 28

    Figura 5 - Uma pilha de 3 células mostrando a conexão entre um ânodo e um cátodo

    através de uma placa bipolar .................................................................................... 29

    Figura 6 - construção de uma CC utilizando seladores de borda .............................. 30

    Figura 7 - gráfico do limite da eficiência encontrado em função da temperatura para

    CC e máquina de Carnot com uma temperatura de escape de 50ºC ....................... 38

  • LISTA DE TABELAS

    Tabela 1 - condições de temperatura, pressão e meio eletrolítico para eletrólise

    alcalina e de polímero sólido ..................................................................................... 20

    Tabela 2 - principais ciclos termoquímicos para a produção do hidrogênio .............. 22

    Tabela 3 - comparação entre os modelos de produção de hidrogênio ...................... 23

    Tabela 4 - condições de temperatura e eficiência para cada tipo de CC. ................. 35

    Tabela 5 - valores de ∆gf em função da temperatura ................................................ 37

    Tabela 6 - valores da eficiência encontrados em função do ∆gf ............................... 38

    https://d.docs.live.net/03600652efe251c1/academico/tcc/TCC%20final%20(9).docx#_Toc499498205

  • SUMÁRIO

    1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 10

    2. OBJETIVOS .......................................................................................................... 12

    2.1. Objetivos gerais .............................................................................................. 12

    2.2. Objetivos específicos ...................................................................................... 12

    3. METODOLOGIA .................................................................................................... 13

    4. HIDROGÊNIO ....................................................................................................... 14

    4.1. Combustão .................................................................................................... 15

    4.2. Armazenamento ............................................................................................ 16

    4.3. Preço de produção ........................................................................................ 16

    4.3.1. Produção a partir de combustíveis fósseis .............................................. 17

    4.3.2. Eletrólise da água .................................................................................... 19

    4.3.3. Hidrogênio a partir da biomassa .............................................................. 21

    4.3.4. Ciclos termoquímicos ............................................................................... 21

    4.3.5. Resumo das tecnologias de produção ..................................................... 22

    5. CÉLULA A COMBUSTÍVEL .................................................................................. 23

    5.1. Princípio de funcionamento ......................................................................

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