Célula a combustível, Esquemas de Energia

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Prof. Daniel de Almeida Fernandes

Célula a Combustível

Grupo 8: Lívia Bartoli Carvalho Freitas - 201871032 Luís Gustavo Campos Beuttemmüller - 201565094AM

Energia e Eletricidade ENE

Sumário

• Introdução
  • Fundamentos teóricos e Aplicações o AFC o PEMFC o PAFC o MCFC o SOFC
  • Discussão
  • Conclusão
  • Bibliografia

Fundamentos teóricos

• A célula a combustível é um sistema eletroquímico que converte de

forma contínua a energia química de combustíveis diretamente em

energia elétrica.

• É considerada uma forma de produção de energia mais limpa e

eficiente, pois não perde energia com processos de combustão, os

quais geram substâncias tóxicas e poluentes.

• A célula a combustível produz uma corrente contínua a partir de reações de oxirredução de um combustível e um agente oxidante.

Fundamentos teóricos

• Para entender o funcionamento da célula a combustível, é importante relembrar o conceito da oxirredução : é a transferência de elétrons entre espécies químicas, em que uma espécie perde elétrons (reação de oxidação ) e a outra ganha (reação de redução ).
• No caso das células a combustível, o combustível sofre oxidação e o agente oxidante sofre redução.
• Em sua estrutura existem dois eletrodos por onde circulam os elétrons, chamados de ânodo e cátodo ; e um meio por onde passam os íons, chamada de eletrólito.

Fundamentos teóricos

• Exemplo: célula a hidrogênio. o Combustível: hidrogênio. o Agente oxidante: oxigênio ou ar atmosférico.
• Tem-se a oxidação do hidrogênio, liberando elétrons:
• O íon H+ atravessa o eletrólito e encontra com o oxigênio e os elétrons, formando água:
• A reação global pode ser escrita da forma:

Fundamentos teóricos

• Uma única célula é capaz de fornecer um potencial de 0,6 a 1,0 V , com correntes contínuas entre 0,15 e 1,0 A.
• Para obter um potencial aplicável, ligam-se várias células em série , montadas verticalmente por empilhamento.

Fundamentos teóricos e Aplicações

Célula Alcalina - AFC (Alkaline Fuel Cell)

• Foi o precursor das células mais modernas.
• Sua faixa de temperatura é por volta dos 80º Celsius.
• Seu eletrólito é o hidróxido de potássio e sua espécie transformada é o OH-.
• Sua vantagem é ser altamente eficiente, ficando em torno de 60% mas podendo chegar a 80%.
• Já sua desvantagem é ser sensível a CO² e de difícil manuseio por ser altamente pura.
• Tem aplicações em espaçonaves, submarinos e em projetos militares.

Fundamentos teóricos e Aplicações

Células a membrana polimérica trocadora de prótons - PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

• Trabalham em temperaturas desde a ambiente até 80º Celsius
• Vantajosas por serem células robustas e de fácil acionamento, alta eficiência e baixíssima liberação de poluentes.
• Um pacote contendo 200 células combustíveis pode produzir 94 kW de energia contínua e atingir picos da ordem de 129 kW.
• Suas desvantagens seriam o custo com a membrana e a contaminação de CO.
• É utilizada a membrana Nafion® composta por um polímero perfluorado de tetrafluor-polietileno. (^11)

Fundamentos teóricos e Aplicações

Células a membrana polimérica trocadora de prótons - PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

• O éter faz a ligação com um ácido etil-sulfônico perfluorado.
• As pontas das cadeias, onde se encontra o grupo sulfônico, formam uma espécie de bolha na estrutura, que se incha em contato com a água ou vapor d'água.
• Estas bolhas, que são interligadas, são responsáveis pela condução de prótons e água pela membrana, sob o efeito de um campo elétrico.

Fundamentos teóricos e Aplicações

Células a membrana polimérica trocadora de prótons - PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

• Os eletrodos são compostos de partículas de carvão agregados com Nafion. As células são montadas eletricamente em série e sobrepostas, formando um empilhamento. Utiliza-se uma placa bipolar, que separa o anodo de uma célula do catodo da célula seguinte.

Aplicações:

• Eletrotração, podendo substituir motores de combustão interna.
• Geradores de energia portáteis como celulares e notebooks.

Fundamentos teóricos e Aplicações

Células a ácido fosfórico - PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)

• Utiliza-se o carbeto de silício, com diâmetro médio de 0,1μm, como material para suporte para abrigar o eletrólito (H3PO4).
• Atualmente é a célula de maior comercialização no mundo.
• Opera em temperaturas por volta dos 200ºC, sendo que essa célula foi desenvolvida com o objetivo de conquistar o mercado das usinas queimadoras de metano no final dos anos 60.

Fundamentos teóricos e Aplicações

Células a ácido fosfórico - PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)

• Não é afetada por CO, CO2 e outras impurezas, podendo ser operada utilizando o próprio ar atmosférico como agente oxidante.
• É uma célula que, em baixas temperaturas, possui um grande mercado e pesquisa por desenvolvimento e otimização em catalisadores.
• Em altas temperaturas, não se faz necessário o uso de metais nobres como catalisadores. O próprio metal do eletrodo se torna ativo.
• Sua eficiência elétrica gira em torno de 45% a 50%.

Fundamentos teóricos e Aplicações

Células a carbonato fundido - MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)

• Utiliza-se como material do eletrodo o níquel para o ânodo, e óxido de níquel com incrustações de lítio para o cátodo.
• Nas células a carbonato fundido utiliza-se uma matriz de partículas de LiAlO 2 para acomodar o eletrólito, que é uma mistura de carbonatos fundidos.
• É realizada em temperaturas em torno de 650ºC.
• CO e CO2 se tornam reagentes combustíveis.
• A alta temperatura dispensa o uso de catalisadores nobres.
• É possível que a reforma de combustível seja feita dentro da célula.

Fundamentos teóricos e Aplicações

Células a carbonato fundido - MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)

• Reforma do Metano:
• Reforma de Hidrocarbonetos:
• Reforma do Metanol:

Exemplos da reforma de um combustível primário devido a alta temperatura de operação da célula