ESTUDO E ANÁLISE EXPERIMENTAL DE UM SISTEMA DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS CURITIBA DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA - ÊNFASE ELETROTÉCNICA RAMIRES HERRMANN MOKWA JOSIANNE GONÇALVES PINTO TANAKA RODRIGO DO ROSÁRIO GONÇALVES ESTUDO E ANÁLISE EXPERIMENTAL DE UM SISTEMA DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL CURITIBA 007

2 RAMIRES HERRMANN MOKWA JOSIANNE GONÇALVES PINTO TANAKA RODRIGO DO ROSÁRIO GONÇALVES ESTUDO E ANÁLISE EXPERIMENTAL DE UM SISTEMA DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL Projeto Final apresentado na disciplina de Projeto Final 1 do curso de Engenharia Industrial Elétrica Ênfase em Eletrotécnica. Orientadora: Profa. Maria de Fátima Ribeiro Raia Cabreira, Dra. Eng. Co-orientador: William Záccaro Gomes, Eng. CURITIBA 007

3 AGRADECIMENTOS À nossa família, pelo apoio incondicional em todos os momentos das nossas vidas, em especial aos nossos maravilhosos pais e companheiros (as) que são motivos de tanto orgulho. À nossa orientadora Professora Maria de Fátima Ribeiro Raia Cabreira e ao nosso co-orientador William Záccaro Gomes, pela capacidade de ensinar e estimular o nosso interesse em busca do conhecimento e pelo intenso apoio para a efetiva realização deste projeto. E por fim, agradecemos a Deus, que sempre esteve conosco, guiando, abençoando e iluminando nossos caminhos, para que as barreiras fossem superadas e as vitórias conquistadas.

4 RESUMO Este trabalho tem por finalidade principal analisar experimentalmente um sistema composto por um painel fotovoltaico, um eletrolisador e uma célula a combustível. O eletrolisador é um equipamento que converte energia elétrica em energia química, através do processo de eletrólise. A substância a ser eletrolisada será a água deionizada e os produtos são os gases hidrogênio e oxigênio. A célula a combustível é um equipamento que converte energia química em energia elétrica, através do processo de oxidação do hidrogênio, produto do processo anterior. O painel fotovoltaico será utilizado para fornecer energia elétrica ao eletrolisador, não sendo foco deste trabalho e sua implementação no sistema visa contemplar a geração distribuída e a cogeração, duas alternativas de produção e utilização de energia. No presente, serão determinadas experimentalmente as eficiências da célula a combustível e a global da associação desta ao eletrolisador, na transformação de energia. As células a combustível representam um avanço tecnológico tendo inúmeras aplicações práticas, desde a substituição de baterias de celulares até aplicações em automóveis, substituindo os atuais motores a combustão. As vantagens proporcionadas pelas células a combustível se resumem em uma alta eficiência energética, utilização de fontes renováveis de energia e redução da emissão de poluentes. Palavras-chave: célula a combustível; hidrogênio; eletrolisador.

5 SUMÁRIO AGRADECIMENTOS... RESUMO...3 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS...6 LISTA DE TABELAS...7 LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS INTRODUÇÃO GERAL INTRODUÇÃO PROBLEMA JUSTIFICATIVA OBJETIVOS OBJETIVO GERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS MÉTODO DE PESQUISA ESTRUTURA DO TRABALHO...13 REFERENCIAIS TEÓRICOS GERAÇÃO DISTRIBUÍDA DE ENERGIA ELÉTRICA CÉLULAS A COMBUSTÍVEL HISTÓRICO PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO TECNOLOGIAS CÉLULA A COMBUSTÍVEL ALCALINA CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE ÁCIDO FOSFÓRICO CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE METANOL DIRETO CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE CARBONATO FUNDIDO CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE ÓXIDO SÓLIDO CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE MEMBRANA DE TROCA DE PRÓTONS CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE ZINCO-AR CÉLULA A COMBUSTÍVEL REGENERATIVA CARACTERÍSTICAS GERAIS PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO HIDROGÊNIO A PARTIR DE COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS REFORMA A VAPOR DO GÁS NATURAL OXIDAÇÃO PARCIAL DE HIDROCARBONETOS PESADOS GASEIFICAÇÃO DO CARVÃO PIRÓLISE DE HIDROCARBONETOS PIRÓLISE DE HIDROCARBONETOS A PLASMA HIDROGÊNIO A PARTIR DA ELETRÓLISE ELETRÓLISE DA ÁGUA FOTO-ELETRÓLISE HIDROGÊNIO A PARTIR DA BIOMASSA GASEIFICAÇÃO A VAPOR PIRÓLISE DE BIOMASSA...46

6 SUMÁRIO HIDRATAÇÃO BIOQUÍMICA OU FOTO-BIOLÓGICA PAINÉIS FOTOVOLTAICOS TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS ELEMENTOS DE CONSTRUÇÃO TAREFAS ESPECÍFICAS ARMAZENAMENTO DE HIDROGÊNIO HIDRETOS METÁLICOS HIDROGÊNIO COMPRIMIDO HIDROGÊNIO LÍQUIDO HIDROGÊNIO QUIMICAMENTE ARMAZENADO NANOTUBOS DE CARBONO MICRO-ESFERAS DE VIDRO PORTADOR LÍQUIDO DE HIDROGÊNIO ELETROLISADORES ELETROLISADOR ALCALINO ELETROLISADOR DE MEMBRANA DE TROCA DE PRÓTONS ELETROLISADOR DE ÓXIDO SÓLIDO CARACTERÍSTICAS DOS ELETRODOS ELETRODOS POROSOS DE LIGA DE NÍQUEL-ALUMÍNIO ELETRODOS DE CHAPAS PLANAS E SUPERFÍCIE PREPARADA ELETRODOS DE TELA DE MALHA FINA EFICIÊNCIA DE ELETROLISADORES E CÉLULAS A COMBUSTÍVEL PARÂMETROS DEFINIDOS PARA O PROJETO PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS LISTA DE MATERIAIS PROCEDIMENTOS COMUNS AJUSTE DA LÂMPADA AO PAINEL FOTOVOLTAICO PURIFICAÇÃO DO SISTEMA ARMAZENAGEM DE VOLUME FIXO DE HIDROGÊNIO ENSAIO PARA O PAINEL FOTOVOLTAICO ENSAIOS PARA O ELETROLISADOR ENSAIOS PARA A CÉLULA A COMBUSTÍVEL CURVA CARACTERÍSTICA DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL MUDANÇA DO AGENTE OXIDANTE NA CÉLULA A COMBUSTÍVEL PRIMEIRA LEI DE FARADAY APLICADA À CÉLULA A COMBUSTÍVEL EFICIÊNCIA DE FARADAY DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL ENSAIOS COMPLEMENTARES EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DO SISTEMA CONCLUSÕES...11 REFERÊNCIAS...114

7 LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 - CÉLULA A COMBUSTÍVEL UTILIZADA NO PROGRAMA APOLLO DA NASA FIGURA - ENTRADA DE HIDROGÊNIO PELO ÂNODO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL FIGURA 3 - QUEBRA DAS MOLÉCULAS DE HIDROGÊNIO E FLUXO DE ELÉTRONS... 0 FIGURA 4 - ENTRADA DE OXIGÊNIO PELO CÁTODO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL... 1 FIGURA 5 - FORMAÇÃO DE ÁGUA NO CÁTODO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL... 1 FIGURA 6 - PLACAS DE FLUXO DE GASES, BACKING LAYER E MEA... 4 FIGURA 7 - DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DA PILHA DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL... 5 FIGURA 8 - PILHA DE CÉLULAS UNITÁRIAS DA ELETROCELL... 6 FIGURA 9 - CÉLULAS A COMBUSTÍVEL DA BRASIL H FUEL CELL ENERGY... 6 FIGURA 10 - MEMBRANA POLIMÉRICA DA BALLARD FIGURA 11 - SISTEMA DE REFORMA A VAPOR DA LINDE FIGURA 1 - ELETRÓLISE DA ÁGUA FIGURA 13 - SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO/FOTOVOLTAICO FIGURA 14 - CÉLULA SOLAR DE CRISTAL ÚNICO FIGURA 15 - CÉLULA SOLAR POLICRISTALINA FIGURA 16 - CÉLULA SOLAR AMORFA FIGURA 17 - ARRANJO DE CÉLULAS SOLARES EM PARALELO FIGURA 18 - ESTAÇÃO DE ARMAZENAMENTO DE HIDROGÊNIO EM HAMBURG FIGURA 19 - ELETROLISADOR PEM... 6 FIGURA 0 - CURVAS DE POTENCIAL VERSUS DENSIDADE DE CORRENTE IDEAL E REAL FIGURA 1 - MONTAGEM COMPLETA DO SISTEMA DE CÉLULA A COMBUSTÍVEL... 7 FIGURA - KIT BRASIL H FUEL CELL ENERGY FIGURA 3 - LUMINÁRIA E LÂMPADA FIGURA 4 - CÉLULA A COMBUSTÍVEL FIGURA 5 - PAINEL FOTOVOLTAICO FIGURA 6 - ELETROLISADOR FIGURA 7 - MULTÍMETROS FIGURA 8 - DÉCADA RESISTIVA E ACESSÓRIOS FIGURA 9 - AJUSTE DA LÂMPADA AO PAINEL FOTOVOLTAICO FIGURA 30 - ESQUEMA DE MONTAGEM PARA EXECUÇÃO DA PURIFICAÇÃO FIGURA 31 - ESQUEMA PARA O ENSAIO DO PAINEL FOTOVOLTAICO FIGURA 3 - CURVAS DO PAINEL FOTOVOLTAICO... 8 FIGURA 33 - ESQUEMA PARA OS ENSAIOS DO ELETROLISADOR FIGURA 34 - CURVAS DO ELETROLISADOR FIGURA 35 - CURVAS DE EFICIÊNCIA E VOLUME DE HIDROGÊNIO DO ELETROLISADOR FIGURA 36 - ESQUEMA PARA OS ENSAIOS DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL FIGURA 37 - CURVAS DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL... 9 FIGURA 38 - CURVAS DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL TENDO O AR COMO OXIDANTE FIGURA 39 - TENSÃO EM FUNÇÃO DA CORRENTE FIGURA 40 - POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA CORRENTE FIGURA 41 - CONSUMO DE HIDROGÊNIO EM FUNÇÃO DO TEMPO FIGURA 4 - CONSUMO DE HIDROGÊNIO EM FUNÇÃO DA CORRENTE FIGURA 43 - CURVAS DE EFICIÊNCIA E POTÊNCIA DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL FIGURA 44 - ESQUEMA DE LIGAÇÃO DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL EM SÉRIE FIGURA 45 - ESQUEMA DE LIGAÇÃO DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL EM PARALELO FIGURA 46 - EFICIÊNCIA ELÉTRICA DO SISTEMA EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA DA CARGA

8 LISTA DE TABELAS TABELA 1 - NOMECLATURA DAS TECNOLOGIAS DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL... 7 TABELA - CARACTERÍSTICAS DAS TECNOLOGIAS TABELA 3 - MEDIÇÕES NO PAINEL FOTOVOLTAICO TABELA 4 - MEDIÇÕES NO ELETROLISADOR TABELA 5 - EFICIÊNCIA E VOLUME DE HIDROGÊNIO DO ELETROLISADOR TABELA 6 - VALORES DE TENSÃO, CORRENTE E POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA CARGA... 9 TABELA 7 - MEDIÇÕES NA CÉLULA A COMBUSTÍVEL TENDO O AR COMO OXIDANTE TABELA 8 - CONSUMO DE HIDROGÊNIO EM FUNÇÃO DO TEMPO TABELA 9 - CONSUMO DE HIDROGÊNIO EM FUNÇÃO DA CARGA TABELA 10 - EFICIÊNCIA E CORRENTE NA CÉLULA A COMBUSTÍVEL TABELA 11 - PARÂMETROS PARA O CÁLCULO DA EFICIÊNCIA ELÉTRICA DO SISTEMA TABELA 1 - EFICIÊNCIA ELÉTRICA DO SISTEMA EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA DA CARGA LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS AFC CÉLULA A COMBUSTÍVEL ALCALINA (ALKALINE FUEL CELL) BNDES BANCO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO E SOCIAL BSPM MÓDULO FOTOVOLTAICO ESPECÍFICO PARA BATERIA (BATTERY SPECIFC PHOTOVOLTAIC MODULE) CaC CÉLULA A COMBUSTÍVEL DMFC CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE METANOL DIRETO (DIRECT METHANOL FUEL CELL) DOE DEPARTAMENTO DE ENERGIA DOS ESTADOS UNIDOS ESPM MCFC MÓDULO FOTOVOLTAICO ESPECÍFICO PARA ELETROLISADOR (ELECTROLYSER SPECIFC PHOTOVOLTAIC MODULE) CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE CARBONATO FUNDIDO (MOLTEN CARBONATE FUEL CELL) MEA MEMBRANA ELETRODO CATALISADOR (MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY) NASA AGÊNCIA ESPACIAL DOS ESTADOS UNIDOS (NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION) PAFC CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE ÁCIDO FOSFÓRICO (PHOSPHORIC ACID FUEL CELL) PCH PEQUENA CENTRAL HIDRELÉTRICA PEM MEMBRANA DE TROCA DE PRÓTONS (PROTON EXCHANGE MENBRANE) PEMFC PROINFA CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE MEMBRANA DE TROCA DE PRÓTONS (PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL) PROGRAMA DE INCENTIVO ÀS FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA ELÉTRICA SOFC CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE ÓXIDO SÓLIDO (SOLID OXIDE FUEL CELL)

9 8 1 INTRODUÇÃO GERAL 1.1 INTRODUÇÃO O modelo atual da produção de energia no mundo esgota os recursos naturais e deteriora as condições ambientais, pois grande parte da energia produzida mundialmente tem origem nas jazidas de combustíveis fósseis não renováveis. Além disso, existem fatores estratégicos e econômicos que devem ser considerados, pois as jazidas estão concentradas em poucas regiões do mundo sujeitando os preços dos combustíveis à instabilidade. A melhora do padrão de vida da humanidade requer o aperfeiçoamento da qualidade da energia fornecida, dos serviços que podem ser oferecidos a partir do uso dessa energia e da eficiência dos sistemas que a utilizam, dentro de um processo de crescimento sustentável. Neste contexto, a célula a combustível destaca-se dentre as diferentes tecnologias empregadas na conversão de energia (LOPEZ, 004). A célula a combustível é uma tecnologia que utiliza um processo eletroquímico na conversão de energia, onde o hidrogênio é utilizado como combustível, apresentando como produto final energia elétrica, energia térmica e água. Um dos equipamentos responsáveis pela produção de hidrogênio é o eletrolisador, cujo princípio de funcionamento é baseado na célula a combustível operando reversamente (GOMES NETO, 005). A produção do hidrogênio e sua aplicação em células a combustível contribuirão para a redução da poluição. Por exemplo, a obtenção do hidrogênio através da eletrólise da água é um processo em que não há emissão de poluentes (SANTOS JÚNIOR, 004). A célula a combustível possui uma infinidade de aplicações como nos meios de transporte, desde automóveis pequenos, substituindo os tradicionais motores à combustão, até trens, aeronaves e navios de grande porte. É também empregada em telefones celulares, substituindo as baterias tradicionais, computadores e outros equipamentos eletrônicos, além de aplicações relacionadas à geração de energia elétrica (LOPEZ, 004). De acordo com o Ministério da Ciência e Tecnologia (006), os desafios inerentes à utilização do hidrogênio como combustível, na realidade como vetor

10 9 energético, não só no Brasil como em todo o mundo, são expressivos, entretanto, não configuram dificuldades intransponíveis. Ao contrário, apontam um elenco de oportunidades para o surgimento de novas empresas de bens e serviços e para a priorização das atividades de pesquisa, desenvolvimento e suporte tecnológico, indispensáveis à sustentabilidade dos negócios relacionados à nova economia. O Brasil possui hidrelétricas com grande potencial de produção de hidrogênio sem emissão de poluentes, visto que o hidrogênio obtido a partir da água é mais fácil de purificar. Há também grande interesse por parte das concessionárias de energia elétrica para a produção de hidrogênio nas hidrelétricas, afinal, um novo mercado de energia pode ser aproveitado: o de transportes (GOMES NETO, 005). Em muitas usinas hidrelétricas, quando as afluências são maiores que a demanda de energia, uma parcela de água que ainda poderia ser utilizada para gerar energia é desviada para o vertedouro e literalmente desperdiçada. Essa energia, cuja denominação é energia vertida turbinável, poderia ser aproveitada para produzir hidrogênio a custos mais baixos que os atuais, visto a possibilidade de armazená-lo para posterior utilização (SANTOS JÚNIOR, 004). Outra possibilidade é a produção de hidrogênio fora dos horários de grande consumo aproveitando a ociosidade das máquinas. Desta forma, os custos se tornariam mais reduzidos (GOMES NETO, 005). No Estado Paraná, a Itaipu Binacional está realizando estudos para a produção de hidrogênio em sua usina, uma das maiores do mundo. Faz parte do seu plano estratégico se tornar referência no desenvolvimento e investigação tecnológica do hidrogênio como fonte alternativa de energia. No Estado Minas Gerais, a Cemig, Companhia Energética de Minas Gerais, montou um laboratório para pesquisas sobre a produção de hidrogênio (GOMES NETO, 005). Apesar de existir tecnologia disponível, a efetiva utilização do hidrogênio ainda depende do estabelecimento de uma infra-estrutura adequada para sua distribuição e comercialização. É necessário também reduzir os custos em praticamente todas as etapas do seu ciclo de vida, da produção à distribuição. Estima-se que isso poderá ser alcançado em um futuro próximo, através do ganho de escala a ser obtido com o crescimento de sua demanda (SANTOS JÚNIOR, 004).

11 10 De forma a complementar este trabalho serão apresentados uma célula a combustível, um eletrolisador e um painel fotovoltaico didáticos, demonstrando experimentalmente o funcionamento da célula a combustível. O eletrolisador precisará ser alimentado a partir de uma fonte de energia elétrica, portanto, o painel fotovoltaico será utilizado para esta função. A escolha do painel fotovoltaico representa uma solução alternativa, visto que este trabalho, além de apresentar a possibilidade da geração centralizada, pretende abordar o sistema de geração distribuída de energia elétrica para a produção de hidrogênio. Enfatizase que a célula a combustível é o foco deste trabalho e é mais bem representada em conjunto com o eletrolisador. O painel fotovoltaico será utilizado como acessório e, portanto, não será completamente detalhado. 1. PROBLEMA A falta de materiais didáticos de ensino destinados a demonstrar o funcionamento das células a combustível, obtenção do hidrogênio e suas aplicações. A falta de tecnologias de alta eficiência e informações referentes a estas. 1.3 JUSTIFICATIVA Prover a Universidade Tecnológica Federal do Paraná de um material didático destinado a disseminar os conhecimentos referentes à tecnologia de células a combustível e suas aplicações, despertando o interesse acadêmico pela pesquisa das tecnologias relacionadas ao hidrogênio e células a combustível, dando subsídio para o desenvolvimento de novos projetos e, desta forma, atuando indiretamente na capacitação de futuros profissionais desta área. Além disso, esta nova tecnologia é muito eficiente, utiliza combustível de fonte renovável, pouco poluente e tende a substituir as fontes atuais de energia, não renováveis e poluentes, por isso a importância de sua disseminação.

12 OBJETIVOS OBJETIVO GERAL Estudar e analisar experimentalmente um sistema de células a combustível OBJETIVOS ESPECÍFICOS Fazer uma revisão bibliográfica a respeito de células a combustível (CaC), eletrolisadores e painéis fotovoltaicos; dimensionar o painel fotovoltaico, a célula a combustível e o eletrolisador; comprar o painel fotovoltaico, a célula a combustível e o eletrolisador; montar o experimento; realizar ensaios para medir a tensão e corrente elétrica na saída do painel fotovoltaico e variar sua posição em relação a fonte luminosa para obter o melhor desempenho; realizar ensaios para medir a quantidade de hidrogênio produzida pelo eletrolisador; avaliar a eficiência do eletrolisador; realizar ensaios para medir a tensão e corrente elétrica na saída da célula a combustível; avaliar a eficiência energética da célula a combustível; avaliar a eficiência energética geral do conjunto composto pela célula a combustível mais o eletrolisador; listar os dados coletados anteriormente e fazer uma análise geral dos resultados do experimento.

13 1 1.5 MÉTODO DE PESQUISA O método de pesquisa será de caráter exploratório experimental cujo objetivo é reunir informações aplicáveis a este trabalho, utilizando livros, artigos, revistas, internet, catálogos de fabricantes, entre outros. O painel fotovoltaico, a célula a combustível e o eletrolisador serão pesquisados, obtidos e dimensionados através de dados fornecidos pela empresa Brasil H Fuel Cell Energy, situada em Curitiba, a qual atua no ramo de pesquisa e desenvolvimento destes dispositivos. Alguns dados necessários ao dimensionamento destes componentes são as características elétricas como a potência, tensão e corrente elétrica. Os preços serão pesquisados junto aos fornecedores, dando prioridade de compra a Brasil H Fuel Cell Energy que incentiva este trabalho e apresenta algumas vantagens no fornecimento deste material, como suporte técnico. Após a montagem do experimento, será feita uma pesquisa das características do painel fotovoltaico, como a tensão e a corrente elétrica em sua saída, verificando as características da energia elétrica em função do ângulo de incidência da luz sobre o mesmo, de forma a obter a máxima potência. Para medir a corrente será utilizado um resistor de pequeno valor ligado em sua saída. Com o auxílio de multímetros e osciloscópios e com os valores de tensão e corrente é possível obter a potência na saída do painel fotovoltaico. Para o eletrolisador, primeiramente será analisada a quantidade de hidrogênio produzida em função da energia elétrica fornecida pelo painel fotovoltaico. Esta quantidade pode ser medida em função do deslocamento do volume de água, que é transformada em oxigênio e hidrogênio. Posteriormente, sua eficiência energética será avaliada correlacionando a energia elétrica consumida e a quantidade de hidrogênio produzida. Para a célula a combustível serão pesquisadas as características de tensão e corrente, obtidas pelos mesmos métodos descritos para o eletrolisador. Em seguida, a partir destas medidas, será avaliada a eficiência energética da célula a combustível em função da quantidade de hidrogênio consumida e da energia elétrica obtida na saída.

14 13 Finalmente, será feita uma análise geral da eficiência energética do conjunto composto pelo eletrolisador mais o painel fotovoltaico, bem como uma análise geral dos dados coletados e resultados. 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO O trabalho será constituído de cinco capítulos, listados a seguir: Capítulo 1 - Introdução geral 1.1. Introdução 1.. Problema 1.3. Justificativa 1.4. Objetivos Objetivo geral Objetivos específicos 1.5. Método de pesquisa 1.6. Estrutura do trabalho Capítulo - Referenciais teóricos.1. Geração distribuída de energia elétrica.. Células a combustível.3. Produção de hidrogênio.4. Armazenamento de hidrogênio.5. Eletrolisadores.6. Eficiência de eletrolisadores e células a combustível Capítulo 3 - Procedimentos experimentais 3.1. Lista de materiais 3.. Montagem do experimento 3.3. Ensaios para o painel fotovoltaico 3.4. Ensaios para o eletrolisador 3.5. Ensaios para a célula a combustível Capítulo 4 - Conclusão Referências

15 14 REFERENCIAIS TEÓRICOS.1 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA DE ENERGIA ELÉTRICA A geração distribuída consiste na produção de energia no local de consumo, ou próxima a ele. Eventuais excedentes de geração podem ser vendidos à rede local ou às instalações vizinhas. Além disso, na geração distribuída elimina-se a necessidade de linhas de transmissão e distribuição, o que conseqüentemente reduz as perdas nas linhas e os custos com as mesmas. A competitividade da geração feita perto do consumidor é comprovada em diversas situações como, por exemplo, onde há possibilidade de cogerar (eficiência elevada) e de gerar com resíduos (custo muito baixo do combustível). Além disso, a existência de geradores próximos às cargas aumenta a estabilidade e a confiabilidade do sistema elétrico, melhorando a qualidade da energia. A cogeração é a produção combinada de calor e eletricidade numa mesma instalação. As tecnologias mais promissoras de longo prazo, ainda em estágio de desenvolvimento, dentre as quais estão as células fotovoltaicas, as micro-turbinas, as células a combustível, entre outras, estão sendo viabilizadas para alguns nichos de mercado e a tendência é seu uso generalizado nos próximos anos com custos decrescentes. O avanço da geração distribuída é inevitável já que proporciona redução na margem dos custos de produção. Os proprietários de unidades de geração distribuída de eletricidade no Brasil podem ser empresas concessionárias de serviço público de geração e produtores independentes de energia. No caso destes últimos, é comum a complementação conjunta de suas necessidades de consumo de energia elétrica através de aquisições da rede local. Por não utilizar, ou utilizar pouco as redes de transmissão e distribuição, a geração distribuída propicia economia nos investimentos. Os impactos ambientais oriundos da construção e operação de instalações de geração distribuída de energia elétrica são, em geral, muito menores do que os ocasionados por centrais de grande porte. As vantagens supracitadas aceleram o desenvolvimento de certas tecnologias como a de geradores eólicos e têm permitido a diversas tecnologias de geração distribuída compensar seus gastos de escala em relação às grandes centrais geradoras. As principais tecnologias de geração

16 15 distribuída, atualmente em uso no país, são as pequenas centrais hidrelétricas PCHs, pequenas centrais termolétricas, em geral utilizando motores de combustão interna e consumindo óleo diesel, unidades de co-geração consumindo gás natural, óleo combustível, resíduos de biomassa e resíduos urbanos, geradores eólicos e painéis fotovoltaicos. Os custos marginais da cadeia de fornecimento de energia elétrica no Brasil, sobretudo os de geração, têm subido nos últimos anos e a expectativa é que esta tendência continue em médio prazo. Isto significa que as tarifas dos consumidores de eletricidade, de uma forma geral, deverão continuar aumentando nos próximos anos. Em relação aos grandes consumidores, as suas tarifas de eletricidade deverão subir ainda mais do que para a média dos consumidores, já que há subsídios cruzados beneficiando suas tarifas e o Decreto Federal nº 4.667, de 04/04/003, prevê que estes subsídios sejam eliminados até 007. Junto a alguns destes segmentos é que residem, a curto e médio prazo, boas oportunidades para a geração distribuída de energia elétrica. Ainda existem atualmente restrições técnicas à geração distribuída interligada ao sistema, sendo as barreiras à sua expansão mais de caráter cultural. Trabalhar com este cenário exige, na prática, uma quebra de paradigmas em um país onde a expansão da oferta de energia com a geração centralizada é uma história de sucesso. No entanto, algumas adaptações normativas e nas estruturas tarifárias se fazem necessárias. As principais preocupações das concessionárias de energia elétrica são as questões de segurança pessoal, estabilidade da rede, sistemas de proteção não familiares utilizados pelos consumidores e uso de pacotes integrados de interconexão desconhecidos pela concessionária, além do planejamento da geração, transmissão e distribuição de energia. O novo modelo institucional do setor elétrico permite às empresas concessionárias distribuidoras comprar energia de fontes de geração distribuída, através de um processo de licitação, até 10% da energia que vendem aos seus consumidores (Decreto Federal nº 5.163, de 30/07/004). A legislação vigente (Lei nº 10.76, de 11/11/003) também beneficia os proprietários de pequenas centrais hidrelétricas, geradores eólicos, termelétricas à biomassa e cogeradores qualificados caso sua capacidade instalada seja menor ou igual a 1 MW. Estes propietários pagam menos ou apenas a metade das tarifas de uso dos sistemas de transmissão

17 16 e distribuição. A Lei Federal nº , de 6 de abril de 00, criou o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA) para incentivar PCHs, unidades termelétricas que consomem produtos ou resíduos da biomassa e geradores eólicos (BAJAY et al., 006; INEE, 003). A primeira fase deste programa está em plena implementação e prevê a instalação de 3300 MW destas centrais até o final de 006. A Lei n também prevê uma segunda fase, após 006, cujas perspectivas econômicas estão pouco favoráveis no momento por conta de modificações nesta lei, promovidas pelo novo modelo institucional do setor elétrico. A principal falha do PROINFA é não prever mecanismos que estimulem a busca de competitividade das tecnologias de geração distribuída de eletricidade que ele promove. Enquanto não se corrigir esta falha, dificilmente a segunda fase do programa irá se viabilizar. A atual legislação do setor elétrico brasileiro permite que proprietários de PCHs possam vender sua energia para consumidores livres, caracterizados como aqueles que possuem uma demanda maior ou igual a 0,5 MW (BAJAY et al., 006; INEE, 003). As PCHs também têm isenção relativa à compensação financeira pela utilização de recursos hídricos e podem participar no rateio da conta de consumo de combustíveis, quando substituírem geração térmica a óleo diesel nos sistemas isolados. Este último benefício também se aplica às demais fontes renováveis alternativas de energia. Para dar início aos projetos de co-geração a gás natural, segundo o plano de massificação do gás, a Petrobrás pretende oferecer facilidades que minimizem gargalos que atualmente estão dificultando este negócio, como por exemplo: vincular o preço do gás natural da co-geração ao valor da energia elétrica, propiciando maior segurança ao consumidor; comprar excedentes de energia elétrica da co-geração a preços de mercado; oferecer energia de reserva para as unidades de co-geração em melhores condições do que as oferecidas atualmente pelas empresas concessionárias de energia elétrica. A Petrobrás tem interesse em ser parceira e financiar os projetos, através do fundo de pensão, com uma previsão de investimentos de R$,5 bilhões e com uma participação de 5% por projeto. O Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico

18 17 e Social (BNDES) tem uma expectativa de promover investimentos de R$8,7 bilhões na expansão do parque gerador. Resumindo, então, o que está impulsionando a geração distribuída são os avanços tecnológicos, a reestruturação do setor elétrico e as novas regulamentações ambientais. As principais aplicações são: utilização de sistemas remotos, corte dos picos de carga e co-geração. Os benefícios são os seguintes: à economia: novos ramos de negócios; aos consumidores: maior qualidade de energia; maior confiabilidade; preços mais competitivos; ao ambiente: redução de impactos ambientais; às concessionárias: adiamento de investimentos; abertura de novos mercados. A combinação desses fatores aponta para novas oportunidades de ganhos para os diversos participantes do sistema, como consumidores e empresas de energia elétrica. Nesse novo mercado, naturalmente, os maiores ganhos virão para quem mais cedo perceber e se adaptar à nova realidade. As fontes de geração distribuída mais promissoras, a curto e médio prazo, são: a co-geração com gás natural, a co-geração com resíduos industriais, agrícolas e urbanos e as pequenas centrais hidrelétricas. Estas tecnologias de geração distribuída também possuem potenciais significativos em vários estados brasileiros. Painéis fotovoltaicos devem ter um impacto maior, por exemplo, nos estados da Bahia e Mato Grosso, mesmo a curto e médio prazo, por conta dos regimes de insolação favoráveis e da parcela ainda considerável da população rural que vive em comunidades distantes das redes de distribuição e que ainda não tem acesso à energia elétrica. Destaque-se, também, o significativo potencial eólico do Estado da Bahia (BAJAY et al., 006; INEE, 003; CAMARGO, 006).

19 18. CÉLULAS A COMBUSTÍVEL..1 HISTÓRICO A primeira célula a combustível surgiu em 1839, desenvolvida pelo físico inglês, William Grove. Pela passagem de corrente elétrica através da água, podiamse obter os gases hidrogênio e oxigênio, fenômeno que levou Grove a deduzir que o processo reverso, poderia gerar água e energia elétrica. O resultado de sua dedução pôde ser comprovado pela bateria a gás, nome dado a sua invenção, sem muita aplicação prática naquela época. Em 1889 os cientistas Ludwig Mond e Charles Langer nomearam o invento de Grove de célula a combustível, pesquisando aplicações práticas para a mesma, sem obter muito êxito. A partir de 1959 o inglês Francis Thomas Bacon demonstrou um sistema de célula a combustível de 5 kw para fazer funcionar uma máquina de solda, encontrando, então, a primeira aplicação prática o invento de Grove. No entanto, as aplicações de maior importância das células a combustível iniciaram-se nos projetos Apollo (figura 1) e Gemini da Agência Espacial dos Estados Unidos, a NASA. Era necessário um equipamento para a produção de energia com eficiência e que utilizasse um combustível leve e com grande densidade de energia. Então, foi escolhido o hidrogênio (GOMES NETO, 005). FIGURA 1 - CÉLULA A COMBUSTÍVEL UTILIZADA NO PROGRAMA APOLLO DA NASA FONTE: GOMES NETO (005)

20 19.. PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO Uma célula a combustível é composta basicamente de quatro itens fundamentais ao seu funcionamento, que são os dois eletrodos, sendo um denominado de cátodo, terminal positivo associado ao gás oxigênio, o outro de ânodo, terminal negativo associado ao gás hidrogênio, o catalisador e o eletrólito. Resumidamente, de um lado da célula entra o hidrogênio e do outro lado o oxigênio. No meio, entre os eletrodos, existem o eletrólito e o catalisador que são a lógica de funcionamento da célula a combustível. O hidrogênio pode ser obtido a partir da água e também de combustíveis fósseis, gás natural, metanol, etanol e outros hidrocarbonetos. A célula a combustível é um dispositivo eletroquímico em que um combustível e um agente oxidante reagem diretamente, produzindo eletricidade. Uma vez que este processo não segue o ciclo termodinâmico, as temperaturas elevadas não são necessárias para uma boa eficiência. O funcionamento básico da célula a combustível, de acordo com Gomes Neto (005, p. 96), pode ser analisado conforme as cinco etapas descritas a seguir. FIGURA - ENTRADA DE HIDROGÊNIO PELO ÂNODO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL FONTE: GOMES NETO (005)

21 0 1) Pelo ânodo, terminal negativo da célula, entra o hidrogênio ( ) pressurizado percorrendo os canais de fluxo até alcançar o catalisador, conforme a figura. H ) Quando o gás hidrogênio atinge o catalisador, suas moléculas se dividem + em dois íons de hidrogênio ( H ), mais dois elétrons ( e ), de acordo com a figura 3. FIGURA 3 - QUEBRA DAS MOLÉCULAS DE HIDROGÊNIO E FLUXO DE ELÉTRONS FONTE: GOMES NETO (005) 3) Os elétrons percorrem o eletrodo negativo até alcançarem o circuito externo onde haverá um fluxo de elétrons, ou seja, a corrente elétrica. Esta corrente flui do ânodo para o cátodo, podendo ser utilizada para alimentar uma carga. As moléculas de hidrogênio ( H ) que não foram quebradas pelo catalisador no primeiro contato, são realimentadas até serem quebradas, pois apenas os íons H conseguem passar através do eletrólito. A reação química desta etapa corresponde à equação 1: + H H e (1)

22 1 4) Pelo cátodo, terminal positivo da célula, entra o gás oxigênio ( ) pressurizado. O gás percorre os canais de fluxo até alcançar o catalisador, conforme a figura 4. O FIGURA 4 - ENTRADA DE OXIGÊNIO PELO CÁTODO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL FONTE: GOMES NETO (005) FIGURA 5 - FORMAÇÃO DE ÁGUA NO CÁTODO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL FONTE: GOMES NETO (005)

23 os íons H 5) Quando estão no catalisador, as moléculas de oxigênio combinam-se com + que atravessaram o eletrólito e com os elétrons que percorreram o circuito externo, formando a molécula de água ( H O ), de acordo com a figura 5. Nesta reação, é liberada uma quantidade de calor na forma de vapor de água. A reação química que corresponde a esta etapa é a equação : + O + 4H + 4e H O () Os eletrodos são construídos de material poroso para que ocorra a passagem dos gases entre as camadas da célula. O material deve ser condutor de eletricidade como a grafite misturada a componentes hidrofóbicos, ou o aço inoxidável. Possuem canais de fluxo desenhados cujo objetivo é atingir toda a superfície do eletrólito, que é revestido pelo catalisador. Na célula a combustível ocorre o processo inverso ao processo da eletrólise, justificando a denominação dos terminais dos eletrodos. A função do catalisador, além de acelerar as reações químicas, é quebrar a molécula do gás hidrogênio ( H ) obtendo íons H + e elétrons. Exemplos de materiais utilizados como catalisadores são platina e níquel. A escolha do material depende da tecnologia utilizada, cujas descrições serão apresentadas oportunamente e da temperatura de operação da célula a combustível. Paras baixas temperaturas utilizase a platina e para altas temperaturas utiliza-se o níquel. Várias técnicas estão em estudo para reduzir a quantidade de platina utilizada na maioria das células a combustível devido ao seu alto custo e também estão em estudo outros materiais mais baratos para substituir a platina. O eletrólito consiste de uma substância capaz de permitir o movimento das cargas positivas, no caso, os íons H +. Os elétrons não passam pelo eletrólito e devem fluir por um circuito externo, produzindo uma corrente elétrica. A substância mais conhecida utilizada como eletrólito é a Nafion, produzida pela empresa DuPont e baseada no Teflon. Trata-se de uma membrana, também conhecida como membrana polimérica de troca de prótons. O eletrólito define as características da célula a combustível e está relacionado à tecnologia utilizada. As tecnologias relacionadas são as mesmas utilizadas para a construção dos eletrolisadores e serão comentadas oportunamente, mais adiante.

24 3 Fazendo-se uma análise mais detalhada, a célula a combustível apresenta ainda dois componentes auxiliares importantes para o seu desempenho: os backing layers e as placas de fluxo de gases e coletoras de corrente. Os primeiros consistem de uma espécie de camada base utilizada nos dois lados de cada célula a combustível unitária, no ânodo e no cátodo. São muito bons para conduzirem os elétrons que saem do ânodo para o cátodo, através do circuito externo, oferecem uma boa difusão dos gases reagentes até o catalisador, são também utilizados para controlar a umidade da membrana polimérica de troca de prótons e permitir que a água produzida no cátodo deixe a célula, ao invés de encharcá-la, o que prejudicaria o fluxo do oxigênio, fundamental às reações. O segundo consiste de placas de material leve, resistente, impermeável aos gases e também bom condutor de eletricidade. Um dos lados de uma destas placas, com a face voltada para o backing layer, contém canais desenhados por máquinas utilizados para carregar os gases reagentes até o local em que deverão ocorrer as reações, de forma uniforme, por toda a área ativa do conjunto membrana/catalisador. A segunda função é a de permitir o fluxo da corrente elétrica. Os elétrons produzidos pela oxidação do hidrogênio devem ser conduzidos através do ânodo do conjunto membrana/catalisador, através dos backing layers e através da placa, antes que possam sair da célula. Então, os elétrons devem fluir pelo circuito externo e voltar para a célula pela placa do cátodo. O conjunto membrana/eletrodo/catalisador é chamado de MEA, do inglês Membrane Electrode Assembly. A GM (General Motors) está desenvolvendo células a combustível para a aplicação em automóveis, substituindo os motores a combustão por motores elétricos. A figura 6 apresenta o conjunto completo de uma célula a combustível unitária produzida pela GM.

25 4 FIGURA 6 - PLACAS DE FLUXO DE GASES, BACKING LAYER E MEA FONTE: GOMES NETO (005) Uma unidade de célula a combustível próxima do ideal forneceria uma tensão de aproximadamente 1,3 V. As células a combustível unitárias podem ser associadas em paralelo, dependendo da potência requerida, ou em série de forma a obter uma pilha de células a combustível para aumentar a diferença de potencial e a capacidade do sistema, analogamente à associação de pilhas comuns. Essa associação é chamada de pilha de células a combustível. Se simplesmente as células unitárias fossem empilhadas, as placas do cátodo e do ânodo estariam lado a lado, o que aumentaria o volume e o peso total da pilha de células. Para separar

26 5 uma célula unitária da outra, reduzindo desta forma o volume e o peso total do conjunto, o que é desejável, utiliza-se uma única placa contendo canais de fluxo de gases desenhados em cada lado desta, ao invés de uma placa para o ânodo e outra para o cátodo. Esta placa é chamada de placa bipolar. É importante que as placas bipolares sejam feitas de materiais impermeáveis aos gases, caso contrário, uma mistura explosiva pode ocorrer. A placa bipolar deve ser boa condutora de elétrons, pois os elétrons produzidos no lado do ânodo da placa bipolar são conduzidos através da placa até o cátodo no outro lado da placa bipolar. Duas placas terminais, uma em cada extremidade da pilha de células a combustível, ficam conectadas através de um circuito externo. A configuração de uma pilha de células a combustível é apresentada de acordo com a figura 7, a seguir. FIGURA 7 - DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DA PILHA DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL FONTE: GOMES NETO (005) A figura 8 apresenta o empilhamento de células unitárias de uma célula a combustível de 5 kw fabricada pela empresa Eletrocell Ltda. Nesta figura são observadas diversas células unitárias e outros acessórios constitutivos, como as placas coletoras de corrente, as placas terminais e os tirantes de tensionamento (GOMES NETO, 005; SERRA et al., 004).

27 6 FIGURA 8 - PILHA DE CÉLULAS UNITÁRIAS DA ELETROCELL FONTE: SERRA ET AL. (005) FIGURA 9 - CÉLULAS A COMBUSTÍVEL DA BRASIL H FUEL CELL ENERGY FONTE: BRASIL H FUEL CELL ENERGY (S.D.) Na figura 9, pode-se observar o aspecto das células a combustível fabricadas pela Brasil H Fuel Cell Energy para aplicações didáticas (BRASIL H FUEL CELL ENERGY, s.d.).

28 7..3 TECNOLOGIAS Atualmente existem pelo menos oito tecnologias de células a combustível para combinarem hidrogênio e oxigênio, entretanto elas têm o mesmo princípio de funcionamento. A diferença está no tipo de eletrólito utilizado em cada célula a combustível. Os nomes referentes aos tipos de tecnologias empregadas, representados por siglas, são apresentados na tabela 1 que apresenta as denominações originais da língua inglesa e seu significado em português. TABELA 1 - NOMECLATURA DAS TECNOLOGIAS DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL Tipo Denominação em inglês Denominação em português AFC Alkaline fuel cell Célula a combustível alcalina PAFC Phophoric acid fuel cell Célula a combustível de ácido fosfórico PEMFC Proton exchange membrane fuel Célula a combustível de membrana de troca de cell prótons DMFC Direct methanol fuel cell Célula a combustível de metanol direto MCFC Molten carbonate fuel cell Célula a combustível de carbonato fundido SOFC Solid oxide fuel cell Célula a combustível de óxido sólido ZAFC Zinc-air fuel cell Célula a combustível de zinco-ar RFC Regenerative fuel cell Célula a combustível regenerativa FONTE: SERRA ET AL (005)..3.1 CÉLULA A COMBUSTÍVEL ALCALINA Este tipo de célula a combustível funciona com hidrogênio e oxigênio comprimidos. Usa como eletrólito uma solução de hidróxido de potássio (KOH) em água. A eficiência pode atingir até 75% e sua temperatura de funcionamento está entre 50 C e 50 C. Uma célula deste tipo pode fornecer uma potência entre 300.W e 5 kw. Estas células a combustível precisam de hidrogênio puro como combustível porque as impurezas podem provocar a formação de carbonato sólido, que interfere em suas reações internas. As reações que ocorrem no ânodo, no cátodo e a reação global da célula a combustível alcalina são dadas pelas equações 3, 4 e 5, respectivamente.

29 8 Reação no ânodo: H + 4OH 4H O + 4e (3) Reação no cátodo: O + H O + 4e 4OH (4) Reação total na célula: + O H O (5) H Foi este o tipo de células a combustível utilizada no projeto espacial Apollo da NASA para fornecer eletricidade e água potável. Uma das maiores desvantagens desta tecnologia é o preço do catalisador de platina (LOPEZ, 004; GOMES NETO, 005; HURLEY, 004)...3. CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE ÁCIDO FOSFÓRICO As células a combustível deste tipo são as que exibem o estado de desenvolvimento mais amadurecido até ao momento, tendo sido as primeiras a serem comercializadas. Desenvolvidas em meados dos anos 60 e testadas desde os anos 70, têm melhorado significativamente em estabilidade, desempenho e custo. Estas características fazem das células a combustível de ácido fosfórico boas candidatas a aplicações fixas. Neste tipo de células o eletrólito é o ácido fosfórico ( H PO 3 4 ) concentrado, fazendo-se necessário que os componentes das células sejam resistentes à corrosão. A condutividade iônica do ácido fosfórico é baixa para temperaturas reduzidas e por isso estas células devem operar entre 160º C e 40.ºC. As reações que ocorrem no ânodo, no cátodo e a reação global da célula a combustível de ácido fosfórico são dadas pelas equações 6, 7 e 8, respectivamente. Reação no ânodo: H 4H + + 4e (6) + Reação no cátodo: + 4H + 4e H O (7) Reação total na célula: O + O H O (8) H A eficiência elétrica das células a combustível de ácido fosfórico são tipicamente em torno de 40%. Os 80% de eficiência podem ser atingidos através do aproveitamento da energia liberada em forma de calor (LOPEZ, 004; GOMES NETO, 005; HURLEY, 004).

30 CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE METANOL DIRETO A tecnologia DMFC é muito semelhante à utilizada nas células a combustível com membrana de troca de prótons. Neste caso, a célula a combustível faz uso do metanol diretamente, sem a necessidade de reformar o combustível para obtenção do hidrogênio puro. O metanol é convertido em dióxido de carbono e íons hidrogênio no ânodo. A partir daí a célula segue o padrão de reação de uma PEMFC. Este tipo de célula não apresenta os problemas de armazenamento, típicos de outras tecnologias, visto que o metanol tem energia volumétrica maior que o hidrogênio (embora menor que a gasolina ou o diesel). O metanol é de mais fácil transporte e fornecimento ao mercado porque pode usar a intra-estrutura já existente, visto ser um combustível líquido. Para a célula a combustível de metanol direto, as reações que ocorrem no ânodo, no cátodo e a reação global são apresentadas, respectivamente, nas equações 9, 10 e 11. Reação no ânodo: CH OH + H O CO + 6H + + 6e (9) 3 Reação no cátodo: 3 + O + 6H + 6e 3H O (10) Reação total na célula: CH 3OH + 3 O CO + H O (11) Estas células funcionam em uma gama de temperaturas que está entre 50.ºC e 00.ºC, um pouco acima das temperaturas padrões de operação da tecnologia PEMFC e atingem uma eficiência de 40%. Uma das principais desvantagens é a necessidade de maior quantidade de platina como catalisador de forma a tornar possível a conversão do metanol em hidrogênio e dióxido de carbono, nas baixas temperaturas, relativamente (LOPEZ, 004; GOMES NETO, 005; HURLEY, 004) CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE CARBONATO FUNDIDO Numa célula a combustível de carbonato fundido o eletrólito é composto por sais de carbonato. Aquecido a 650 ºC, o sal derrete e conduz íons carbonato ( CO 3 ) do cátodo para ao ânodo. No ânodo, o hidrogênio reage com os íons e produz água,

31 30 dióxido de carbono e elétrons. Os elétrons, ao atravessarem um circuito externo, fornecem energia elétrica e voltam ao cátodo. Uma vez no cátodo, o oxigênio do ar e o dióxido de carbono produzido no ânodo reagem com os elétrons para formar íons ( CO 3 ) que reabastecem o eletrólito e transferem corrente através da célula a combustível. Para esta tecnologia, a reação no ânodo é dada pela equação 1, a reação no cátodo é dada pela equação 13 e a reação global, pela equação 14. Reação no ânodo: CO + H H O + CO + e (1) 3 Reação no cátodo: + 1 O + e CO 3 CO (13) Reação total na célula: H + 1 O CO + CO H O + (14) Este tipo de célula a combustível pode extrair hidrogênio a partir de uma variedade de combustíveis utilizando um reformador interno ou externo. É também menos sujeita a contaminação por monóxido de carbono do que as células a combustível que operam em baixas temperaturas. Isso faz com que os combustíveis fósseis sejam adequados para este tipo de célula a combustível. As células a combustível de carbonato fundido funcionam bem com catalisadores de níquel, mais baratos que a platina, e apresentam uma eficiência de 60%, podendo chegar aos 85% se o calor for aproveitado para gerar eletricidade. Atualmente, algumas unidades produzem MW, mas existem projetos para unidades de 50 MW a 100 MW de potência. Duas dificuldades colocam este tipo de tecnologia em desvantagem, comparativamente a outros tipos de células: a primeira é a complexidade de trabalhar com um eletrólito líquido, em comparação a um eletrólito sólido, a outra tem a ver com a reação química dentro da célula. Os íons CO 3 do eletrólito são gastos nas reações que ocorrem no ânodo tornando-se necessário injetar dióxido de carbono no cátodo para compensar (LOPEZ, 004; GOMES NETO, 005; HURLEY, 004).

32 CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE ÓXIDO SÓLIDO A célula a combustível de óxido sólido é atualmente a célula em desenvolvimento que opera com as mais altas temperaturas, que vão desde os 600.ºC até 1000.ºC. Esta característica possibilita a utilização de uma grande variedade de combustíveis. Para poder operar a temperaturas tão altas, o eletrólito é constituído de um material cerâmico, sólido e fino (óxido sólido) que é condutor de íons de oxigênio. Desde os anos 50 que as células a combustível de óxido sólido vêm sendo desenvolvidas e têm sido investigadas duas configurações: painel plano e tubular. O transportador da carga nestas células a combustível é o íon oxigênio ( O ). No cátodo, as moléculas de oxigênio provenientes do ar são decompostas em íons oxigênio e elétrons. Esses íons são conduzidos através do eletrólito e se combinam com o hidrogênio no ânodo, liberando elétrons. Os elétrons atravessam um circuito externo fornecendo energia elétrica ao mesmo. As equações 15, 16 e 17 representam as reações no ânodo, no cátodo e a reação global, respectivamente, da célula a combustível de óxido sólido. Reação no ânodo: H + O H O + 4e (15) Reação no cátodo: O + 4e O (16) Reação total na célula: + O H O (17) H Este tipo de célula a combustível é a que apresenta maior eficiência, podendo chegar aos 60%. Além disso, as altas temperaturas de funcionamento permitem a obtenção de vapor em alta pressão, que pode ser aproveitado em várias aplicações. Através da combinação de uma célula a combustível de alta temperatura com uma turbina, pode-se obter uma célula a combustível híbrida com uma eficiência maior que 70% (LOPEZ, 004; GOMES NETO, 005; HURLEY, 004) CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE MEMBRANA DE TROCA DE PRÓTONS Este é o tipo de célula a combustível que apresenta a possibilidade de substituir os motores de combustão interna a diesel e a gasolina dos veículos. Foi

33 3 esta a tecnologia utilizada pela primeira vez na NASA nos anos 60, no programa Gemini. As células a combustível com membrana de troca de prótons apresentam como principal vantagem a sua simplicidade de funcionamento. Estas células baseiam-se no uso de uma membrana sólida, feita de um polímero permeável aos prótons quando saturado com água, mas que nestas condições não conduz elétrons. A principal função da membrana é providenciar uma barreira condutiva iônica ao gás. Esta membrana é excelente condutora de prótons. No início do seu desenvolvimento, ácidos fortes, como o ácido sulfúrico concentrado, foram utilizados para fornecer um contato entre a membrana e as superfícies do catalisador. Durante os testes concluiu-se que não era necessária a adição de ácido, bastando apenas manter a membrana hidratada. Os materiais mais utilizados que compõe o polímero são as membranas perfluoradas ou as membranas com base em hidrogênio e carbono. A primeira é normalmente constituída de um ácido denominado de ácido poliperfluorsulfônico e a segunda é constituída de um polímero de polibenzilimida. O combustível destas células é o hidrogênio e o transportador da carga é o íon de hidrogênio, o próton. No ânodo, a molécula de hidrogênio é dividida em íons de hidrogênio e elétrons. Os íons atravessam o eletrólito até ao cátodo enquanto os elétrons passam pelo circuito externo ao qual fornecem energia elétrica. O oxigênio do ar é fornecido ao cátodo e combina-se com os elétrons e com os íons de hidrogênio para formar água. As equações 18, 19 e 0 representam as reações que ocorrem no ânodo, no cátodo e a reação global, respectivamente, para esta tecnologia. Reação no ânodo: H 4H + + 4e (18) + Reação no cátodo: + 4H + 4e H O (19) Reação total na célula: O + O H O (0) H Comparativamente aos outros tipos, as células a combustível de membrana de troca de prótons fornecem maior potência por volume ou massa de célula a combustível. A elevada densidade de potência faz com que estas células sejam mais compactas e leves. Além disso, a temperatura de operação é inferior a 100 ºC, o que proporciona uma resposta rápida durante a entrada do dispositivo em operação. Estas características, aliadas à possibilidade de variar rapidamente a