Células de combustível: tipos, princípio de funcionamento e características

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2024-01-02 14:01

O hidrogênio é um combustível limpo, pois produz apenas água e fornece energia limpa usando fontes de energia renováveis. Ele pode ser armazenado em uma célula de combustível que produz eletricidade usando um dispositivo de conversão eletroquímica. O hidrogênio é a fonte da energia revolucionária do futuro, mas seu desenvolvimento ainda é muito limitado. Razões: energia difícil de produzir, custo-benefício e balanço energético questionável devido à natureza intensiva de energia do projeto. Mas essa opção energética oferece perspectivas interessantes em termos de armazenamento de energia, principalmente quando se trata de fontes renováveis.

Pioneiros da célula de combustível

O conceito foi efetivamente demonstrado por Humphry Davy no início do século XIX. Isto foi seguido pelo trabalho pioneiro de Christian Friedrich Schonbein em 1838. No início da década de 1960, a NASA, em colaboração com parceiros industriais, começou a desenvolver geradoresdeste tipo para voos espaciais tripulados. Isso resultou no primeiro bloco do PEMFC.

Outro pesquisador da GE, Leonard Nidrach, atualizou o PEMFC da Grubb usando platina como catalisador. Grubb-Niedrach foi desenvolvido em colaboração com a NASA e foi usado pelo programa espacial Gemini no final dos anos 1960. A International Fuel Cells (IFC, mais tarde UTC Power) desenvolveu o dispositivo de 1,5 kW para voos espaciais Apollo. Eles forneceram eletricidade e água potável para os astronautas durante sua missão. A IFC desenvolveu posteriormente as unidades de 12 kW usadas para fornecer energia a bordo para todos os voos de naves espaciais.

O elemento automotivo foi inventado pela Grulle na década de 1960. A GM usou Union Carbide no carro "Electrovan". Foi usado apenas como carro da empresa, mas podia viajar até 120 milhas com o tanque cheio e atingir velocidades de até 70 milhas por hora. Kordesch e Grulke experimentaram uma motocicleta de hidrogênio em 1966. Era um híbrido de célula com uma bateria NiCad em conjunto que alcançou impressionantes 1,18L/100km. Este movimento tem tecnologia avançada de e-bike e a comercialização de e-motocicletas.

Em 2007, as fontes de combustível passaram a ser comercializadas em uma ampla variedade de áreas, começaram a ser vendidas para usuários finais com garantias escritas e capacidade de serviço, ou seja, atender aos requisitos e padrões de uma economia de mercado. Assim, vários segmentos de mercado passaram a focar na demanda. Em particular, milhares de energia auxiliarAs unidades PEMFC e DMFC (APU) foram comercializadas em aplicações de entretenimento: barcos, brinquedos e kits de treinamento.

Horizon em outubro de 2009 apresentou o primeiro sistema eletrônico comercial Dynario que funciona com cartuchos de metanol. As células de combustível Horizon podem carregar telefones celulares, sistemas de GPS, câmeras ou tocadores de música digital.

Processos de produção de hidrogênio

Células a combustível de hidrogênio são substâncias que contêm hidrogênio como combustível. O combustível de hidrogênio é um combustível de emissão zero que libera energia durante a combustão ou por meio de reações eletroquímicas. As células de combustível e as baterias produzem eletricidade por meio de uma reação química, mas a primeira produzirá energia enquanto houver combustível, nunca perdendo carga.

Os processos térmicos para produzir hidrogênio normalmente envolvem a reforma a vapor, um processo de alta temperatura em que o vapor reage com uma fonte de hidrocarboneto para liberar hidrogênio. Muitos combustíveis naturais podem ser reformados para produzir hidrogênio.

Hoje aproximadamente 95% do hidrogênio é produzido a partir da reforma do gás. A água é dividida em oxigênio e hidrogênio por eletrólise, em um dispositivo que funciona como uma célula de combustível Horizon zero ao contrário.

Processos baseados em energia solar

Eles usam a luz como agente para produzir hidrogênio. Existevários processos baseados em painéis solares:

1. fotobiológica;
2. fotoeletroquímica;
3. ensolarado;
4. termoquímico.

Os processos fotobiológicos usam a atividade fotossintética natural de bactérias e algas verdes.

Os processos fotoeletroquímicos são semicondutores especializados para separar a água em hidrogênio e oxigênio.

A produção solar de hidrogênio termoquímico usa energia solar concentrada para a reação de separação de água junto com outras espécies, como óxidos metálicos.

Os processos biológicos usam micróbios como bactérias e microalgas e podem produzir hidrogênio por meio de reações biológicas. Na conversão de biomassa microbiana, os micróbios decompõem a matéria orgânica, como a biomassa, enquanto nos processos fotobiológicos, os micróbios usam a luz solar como fonte.

Componentes de geração

Dispositivos de elementos são feitos de várias partes. Cada um tem três componentes principais:

• anodo;
• cátodo;
• eletrólito condutor.

No caso das células a combustível Horizon, onde cada eletrodo é feito de um material de alta área superficial impregnado com um catalisador de liga de platina, o material eletrolítico é uma membrana e serve como condutor iônico. A geração elétrica é impulsionada por duas reações químicas primárias. Para elementos usando puroH_2.

Gás hidrogênio no ânodo se divide em prótons e elétrons. Os primeiros são transportados através da membrana eletrolítica e os segundos fluem em torno dela, gerando uma corrente elétrica. Íons carregados (H + e e -) combinam com O_{2 no cátodo, liberando água e calor. As muitas questões ambientais que afetam o mundo hoje estão mobilizando a sociedade para alcançar o desenvolvimento sustentável e o progresso na proteção do planeta. Aqui no contexto, o fator chave é a substituição dos atuais recursos básicos de energia por outros que possam satisfazer plenamente as necessidades humanas.}

Os elementos em questão são exatamente esse dispositivo, graças ao qual este aspecto encontra a solução mais provável, pois é possível obter energia elétrica a partir de combustível limpo com alta eficiência e sem emissões de CO_2.

Catalisadores de platina

A platina é altamente ativa para a oxidação do hidrogênio e continua sendo o material eletrocatalisador mais comum. Uma das principais áreas de pesquisa da Horizon usando células de combustível com redução de platina é na indústria automotiva, onde estão planejados em um futuro próximo catalisadores de engenharia feitos de nanopartículas de platina suportadas em carbono condutor. Esses materiais têm a vantagem de nanopartículas altamente dispersas, alta área de superfície eletrocatalítica (ESA) e crescimento mínimo de partículas em temperaturas elevadas, mesmo em níveis mais altos de carga de Pt.

Ligas contendo Pt são úteis para dispositivos que funcionam com fontes de combustível especializadas, como metanol ou reforma (H₂, CO₂, CO e N_{2). As ligas Pt/Ru mostraram melhor desempenho sobre os catalisadores eletroquímicos de Pt puro em termos de oxidação de metanol e sem possibilidade de envenenamento por monóxido de carbono. Pt 3 Co é outro catalisador de interesse (especialmente para cátodos de células de combustível Horizon) e mostrou eficiência de reação de redução de oxigênio melhorada, bem como alta estabilidade.}

Catalisadores Pt/C e Pt 3 Co/C mostrando nanopartículas altamente dispersas em substratos de carbono de superfície. Existem vários requisitos importantes a serem considerados ao escolher um eletrólito de célula de combustível:

1. Alta condutividade de prótons.
2. Alta estabilidade química e térmica.
3. Baixa permeabilidade ao gás.

Fonte de energia de hidrogênio

O hidrogênio é o elemento mais simples e abundante do universo. É um componente importante da água, petróleo, gás natural e todo o mundo vivo. Apesar de sua simplicidade e abundância, o hidrogênio raramente é encontrado em seu estado gasoso natural na Terra. É quase sempre combinado com outros elementos. E pode ser derivado de petróleo, gás natural, biomassa ou por separação de água usando energia solar ou elétrica.

Uma vez que o hidrogênio é formado como H molecular₂, a energia presente na molécula pode ser liberada por interaçãocom O₂. Isso pode ser alcançado com motores de combustão interna ou células de combustível de hidrogênio. Neles, a energia H_{2 é convertida em corrente elétrica com baixas perdas de potência. Assim, o hidrogênio é um transportador de energia para mover, armazenar e fornecer energia produzida a partir de outras fontes.}

Filtros para módulos de potência

A obtenção de elementos energéticos alternativos é impossível sem o uso de filtros especiais. Os filtros clássicos ajudam no desenvolvimento de módulos de potência de elementos em diferentes países do mundo devido aos blocos de alta qualidade. Os filtros são fornecidos para preparar combustível como metanol para aplicações em células.

Tipicamente as aplicações para esses módulos de energia incluem fonte de alimentação em locais remotos, energia de backup para fontes críticas, APUs em veículos pequenos e aplicações marítimas como o Projeto Pa-X-ell, que é um projeto para testar células em navios de passageiros.

Carcaças de filtro de aço inoxidável que resolvem problemas de filtragem. Nessas aplicações exigentes, os fabricantes de células de combustível zero Dawn estão especificando as carcaças de filtro de aço inoxidável da Classic Filters devido à flexibilidade de produção, padrões de qualidade mais altos, entregas rápidas e preços competitivos.

Plataforma de tecnologia de hidrogênio

Horizon Fuel Cell Technologies foi fundada em Cingapura em 2003 e hoje possui 5 subsidiárias internacionais. A missão da empresa éfazer a diferença em células de combustível trabalhando globalmente para obter uma comercialização rápida, reduzir os custos de tecnologia e eliminar as antigas barreiras ao fornecimento de hidrogênio. A empresa começou com produtos pequenos e simples que requerem baixas quantidades de hidrogênio em preparação para aplicações maiores e mais complexas. Seguindo diretrizes rígidas e um roteiro, a Horizon rapidamente se tornou a maior fabricante de células a granel abaixo de 1.000 W do mundo, atendendo clientes em mais de 65 países com a mais ampla seleção de produtos comerciais do setor.

A plataforma tecnológica Horizon é composta por: PEM - Células a combustível Horizon zero dawn (microcombustíveis e pilhas) e seus materiais, fornecimento de hidrogênio (eletrólise, reforma e hidrólise), dispositivos e dispositivos de armazenamento de hidrogênio.

Horizon lançou o primeiro gerador de hidrogênio portátil e pessoal do mundo. A estação HydroFill pode gerar hidrogênio decompondo a água em um tanque e armazenando-a em cartuchos HydroStick. Eles contêm uma liga absorvente de gás hidrogênio para fornecer armazenamento sólido. Os cartuchos podem então ser inseridos em um carregador MiniPak que pode lidar com pequenos elementos de filtro de combustível.

Horizon ou hidrogênio doméstico

Horizon Technologies lança sistema de carregamento de hidrogênio e armazenamento de energia para uso doméstico, economizando energia em casa para carregar dispositivos portáteis. A Horizon distinguiu-se em 2006 com o brinquedo "H-racer", um pequeno carro movido a hidrogénio eleito a "melhor invenção" do ano. Ofertas Horizondescentralize o armazenamento de energia em casa com sua estação de carregamento de hidrogênio Hydrofill, que é capaz de recarregar pequenas baterias portáteis e reutilizáveis. Esta usina de hidrogênio requer apenas água para funcionar e gerar energia.

O trabalho pode ser feito pela rede, painéis solares ou turbina eólica. De lá, o hidrogênio é extraído da caixa d'água da estação e armazenado na forma sólida em pequenas células de liga metálica. A Hydrofill Station, vendida no varejo por cerca de US$ 500, é uma solução de vanguarda para telefones. Onde encontrar células de combustível Hydrofill a esse preço não é difícil para os usuários, basta fazer a solicitação apropriada na Internet.

Carga de hidrogênio do carro

Como os carros elétricos movidos a bateria, os movidos a hidrogênio também usam eletricidade para dirigir o carro. Mas, em vez de armazenar essa eletricidade em baterias que levam horas para carregar, as células geram energia a bordo do carro reagindo hidrogênio e oxigênio. A reação ocorre na presença de um eletrólito - um condutor não metálico, no qual o fluxo elétrico é realizado pelo movimento de íons em dispositivos onde as células a combustível Horizon zero são equipadas com membranas de troca de prótons. Funcionam da seguinte forma:

1. Gás hidrogênio é fornecido ao ânodo "-" (A) da célula, e o oxigênio é direcionado para o pólo positivo.
2. No ânodo o catalisador é de platina,descarta elétrons de átomos de hidrogênio, deixando íons "+" e elétrons livres. Apenas íons passam pela membrana localizada entre o ânodo e o cátodo.
3. Elétrons criam corrente elétrica movendo-se ao longo de um circuito externo. No cátodo, elétrons e íons de hidrogênio se combinam com o oxigênio para produzir água que flui para fora da célula.

Até agora, duas coisas impediram a produção em larga escala de veículos movidos a hidrogênio: custo e produção de hidrogênio. Até recentemente, o catalisador de platina, que divide o hidrogênio em um íon e um elétron, era proibitivamente caro.

Há alguns anos, as células de combustível de hidrogênio custavam cerca de US$ 1.000 para cada quilowatt de energia, ou cerca de US$ 100.000 para um carro. Vários estudos foram realizados para reduzir o custo do projeto, incluindo a substituição do catalisador de platina por uma liga de platina-níquel que é 90 vezes mais eficiente. No ano passado, o Departamento de Energia dos EUA informou que o custo do sistema havia caído para US$ 61 por quilowatt, ainda pouco competitivo na indústria automotiva.

tomografia computadorizada por raios X

Este método de teste não destrutivo é usado para estudar a estrutura de um elemento de duas camadas. Outros métodos comumente usados para estudar estrutura:

• porosimetria de intrusão de mercúrio;
• microscopia de força atômica;
• profilometria óptica.

Os resultados mostram que a distribuição de porosidade tem uma base sólida para o cálculo da condutividade térmica e elétrica, permeabilidade edifusão. Medir a porosidade dos elementos é muito difícil devido à sua geometria fina, compressível e não homogênea. O resultado mostra que a porosidade diminui com a compressão GDL.

A estrutura porosa tem um impacto significativo na transferência de massa no eletrodo. O experimento foi realizado em várias pressões de prensagem a quente, que variaram de 0,5 a 10 MPa. O desempenho depende principalmente do metal de platina, cujo custo é muito alto. A difusão pode ser aumentada através do uso de aglutinantes químicos. Além disso, as mudanças de temperatura afetam a vida útil e o desempenho médio do elemento. A taxa de degradação de PEMFCs de alta temperatura é inicialmente baixa e depois aumenta rapidamente. Isso é usado para determinar a formação de água.

Problemas de comercialização

Para ser competitivo em termos de custos, os custos das células de combustível devem ser reduzidos pela metade e a vida útil da bateria estendida da mesma forma. Hoje, no entanto, os custos operacionais ainda são muito mais altos, já que os custos de produção de hidrogênio estão entre US$ 2,5 e US$ 3, e o hidrogênio fornecido provavelmente não custará menos de US$ 4/kg. Para que a célula concorra efetivamente com as baterias, ela deve ter um tempo de carga curto e minimizar o processo de substituição da bateria.

Atualmente, a tecnologia de célula a combustível de polímero custará US$ 49/kW quando produzida em massa (pelo menos 500.000 unidades por ano). No entanto, para competir com os carroscombustão interna, as células de combustível automotivas devem atingir cerca de US$ 36/kWh. A economia pode ser alcançada reduzindo os custos de material (em particular, o uso de platina), aumentando a densidade de potência, reduzindo a complexidade do sistema e aumentando a durabilidade. Existem vários desafios para comercializar a tecnologia em larga escala, incluindo a superação de uma série de barreiras técnicas.

Desafios técnicos do futuro

O custo de uma pilha depende do material, técnica e técnicas de fabricação. A escolha do material depende não apenas da adequação do material para a função, mas também da trabalhabilidade. Principais tarefas dos elementos:

1. Reduza a carga do eletrocatalisador e aumente a atividade.
2. Melhora a durabilidade e reduz a degradação.
3. Otimização do projeto do eletrodo.
4. Melhora a tolerância de impurezas no ânodo.
5. Seleção de materiais para componentes. Baseia-se principalmente no custo sem sacrificar o desempenho.
6. Tolerância a falhas do sistema.
7. O desempenho do elemento depende principalmente da resistência da membrana.

Os principais parâmetros GDL que afetam o desempenho da célula são a permeabilidade do reagente, condutividade elétrica, condutividade térmica e suporte mecânico. A espessura do GDL é um fator importante. Uma membrana mais espessa oferece melhor proteção, resistência mecânica, caminhos de difusão mais longos e maiores níveis de resistência térmica e elétrica.

Tendências progressivas

Entre os vários tipos de elementos, o PEMFC está adaptando mais aplicativos móveis (carros, laptops, telefones celulares, etc.), portanto, é de interesse crescente para uma ampla gama de fabricantes. Na verdade, o PEMFC tem muitas vantagens, como baixa temperatura de operação, estabilidade de alta densidade de corrente, peso leve, compacidade, baixo custo e potencial de volume, longa vida útil, partidas rápidas e adequação para operação intermitente.

A tecnologia PEMFC é adequada para uma variedade de tamanhos e também é usada com uma variedade de combustíveis quando processada adequadamente para produzir hidrogênio. Como tal, encontra uso desde a pequena escala de subwatts até a escala de megawatts. 88% do total de remessas em 2016-2018 foram PEMFC.