RAFAEL DE OLIVEIRA GONÇALVES ESTUDO TEÓRICO E EXPERIMENTAL DE UMA CÉLULA A COMBUSTÍVEL DO TIPO PEM DIDÁTICA

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1 UNIJUÍ - Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul DCEEng - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias Curso de Engenharia Mecânica Campus Panambi RAFAEL DE OLIVEIRA GONÇALVES ESTUDO TEÓRICO E EXPERIMENTAL DE UMA CÉLULA A COMBUSTÍVEL DO TIPO PEM DIDÁTICA Panambi 2012

2 RAFAEL DE OLIVEIRA GONÇALVES ESTUDO TEÓRICO E EXPERIMENTAL DE UMA CÉLULA A COMBUSTÍVEL DO TIPO PEM DIDÁTICA Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Banca Avaliadora: 1 Avaliador: Prof. Luis Antonio Bortolaia, Dr. 2 Avaliador (Orientador): Prof. Roger Schildt Hoffmann, M.

3 BIOGRAFIA DO AUTOR Rafael de Oliveira Gonçalves, nascido em 1983 no município de Panambi do Estado do Rio Grande do Sul. Completou sua formação de ensino médio juntamente com o ensino Técnico em Mecânica no Colégio Evangélico Panambi em 2002 no município de Panambi/RS. Realizou estágio nos diversos setores da empresa Tromink Industrial no período de 1998 a Atuou na função de projetista na Instituição de Ensino Colégio Evangélico Panambi, onde trabalhou no período de 2002 a 2011 Atualmente exerce a mesma função na Engenharia Industrial da empresa Kepler Weber S.A. Pretende se especializar no futuro na área de Projeto de Máquinas, a qual apresenta grandes potencialidades para o crescimento profissional.

4 AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar, a Deus, pela ajuda e sabedoria para enfrentar os desafios do cotidiano. À família pelo incentivo, apoio constante e compreensão ímpar em períodos onde a busca pela graduação, exigiu redobrado tempo e atenção. Aos meus colegas pelo grande apoio e pelos momentos de diálogo e discussões para desenvolvimento de ideias e esclarecimento de dúvidas. Aos professores, pela dedicação e paciência em transmitir conhecimento.

5 DEDICATÓRIA Aos meus amados pais, Irineu Gonçalves (in memoriam) e Milady de Oliveira Gonçalves. Aos queridos irmãos Deidri e Pablo, por quem tenho um apreço inestimável. À minha noiva Marina, a quem reservo o mais puro sentimento de amor e respeito. Amo vocês!

6 RESUMO Este estudo está direcionado ao setor de energias renováveis, mais propriamente focadas nas células a combustíveis. Em primeira instância, serão abordadas algumas informações básicas e algumas curiosidades a respeito dessa tecnologia e seus constituintes. Será apresentado assim, um breve histórico sobre o gás hidrogênio, e sobre células a combustível. Posteriormente, para efeitos de conhecimento, será apresentada uma classificação básica e os tipos de células que compões essa classificação. Em sequência ao assunto, serão apresentados alguns cálculos referente a eficiência energética desses dispositivos, estabelecendo comparativos com testes práticos realizados com uma célula a combustível adquirida. Expressões chaves: Célula a combustível, tecnologia, hidrogênio, tipos de células, eficiência energética, comparativos de testes práticos.

7 ABSTRACT This study is aimed at the renewable energy sector, more specifically focused on fuel cells. In the first instance, be dealt with some basic information and some trivia about this technology and its constituents. Will be presented as a brief history of the hydrogen gas and on fuel cells. Later, for the purposes of knowledge, will present a basic characterization and cell types that comprise this classification. In response to the issue, we introduce some calculations regarding the energy efficiency of these devices, establishing practical comparative tests conducted with a fuel cell acquired. Key expressions: Fuel cell, technology, hydrogen, cell types, energy efficiency, comparative and practical test.

8 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Ciclo de Carnot para motores térmicos. [3] Figura 2 Geração de energia elétrica por motor e turbina a vapor. [4] Figura 3 Geração de energia elétrica por uma CaC. [4] Figura 4 Representação básica de uma CaC. [2] Figura 5 Seção transversal de uma CaC do tipo PEM. [5] Figura 6 Linha de eventos relacionados a células de combustíveis [1] Figura 7 Representação de uma CaC e suas princiapais partes. [2] Figura 8 Estrutura molecular da membrana polimérica Nafion. [2] Figura 9 H 2 entrando em contato com o catalisador. [2] Figura 10 Representação das reações químicas que ocorrem em um CaC. [6] Figura 11 Quebra das moléculas de H 2 e fluxo de elétrons. [2] Figura 12 Mólécula de O 2 entrando nos canais de fluxo da CaC. [2] Figura 13 Formação de vapor de água. [2] Figura 14 CaC usada nos programas da NASA. [2] Figura 15 Paracelsus Não sabia o que se tratava sua descoberta [11] Figura 16 Robert Boyle [11] Figura 17 Henry Cavendish [11] Figura 18 Antoine Laurent Lavoisier Nomeou o hidrogênio [11] Figura 19 Jacques Charles Subiu um balão com hidrogênio. [11] Figura 20 La Charlière de Jacques Charles. [11] Figura 21 Meios possíveis para produção de hidrogênio. [13] Figura 22 Classificação da matéria. [14] Figura 23 Fórmulas moleculares de algumas substâncias. [14] Figura 24 Fórmulas estruturais de algumas substâncias. [14] Figura 25 Escalas de temperaturas. [14] Figura 26 Aparelho da lei de Boyle. [14]... 68

9 9 Figura 27 Experimentos que deram origem a lei de Charles. [14] Figura 28 Átomo de silício e sua estrutura. [15] Figura 29 Átomo de hidrogênio e sua estrutura. [15] Figura 30 Lei fundamental das cargas opostas. [15] Figura 31 Campo eletrostático entre corpos com cargas opostas. [15] Figura 32 Pilha química voltáica. [15] Figura 33 Alguns dos símbolos mais utilizados na eletricidade. [15] Figura 34 Partes de um circuito elétrico. [15] Figura 35 Exemplo de circuito aberto (a) e circuito fechado (b). [15] Figura 36 Funcionamento de um resistor variável. [15] Figura 37 Círculo da lei de Ohm. [15] Figura 38 Cilindro exemplificando uma massa de controle. [1] Figura 39 Turbina exemplificando um volume de controle. [1] Figura 40 CaC representada como um volume de controle. [1] Figura 41 Kit educacional adquirido da Horizon Fuel Cell Tecnology. (autor) Figura 42 CaC utilizada para os experimentos. (autor) Figura 43 Recipiente contendo água bideionizada. (autor) Figura 44 Termômetro Full Gauge com quatro sensores. (autor) Figura 45 Placa de aquisição de dados. (autor) Figura 46 Multímetro utilizado nos experimentos. (autor) Figura 47 Materiais diversos utilizados nos teste. (autor) Figura 48 Projeto de circuito para os experimentos da Tensão x Tempo. (autor) Figura 49 Circuito montado para os experimentos da Tensão x Tempo. (autor) Figura 50 H 2 produzido 1 experimento [a]; 2 experimento [b]. (autor) Figura 51 O 2 produzido 1 experimento [a]; 2 experimento [b]. (autor) Figura 52 Gráficos 1 experimento [a]; 2 experimento [b]. (autor) Figura 53 Projeto de circuito para os experimentos da Tensão x Tempo. (autor) Figura 54 Circuito montado para os experimentos da Corrente x Tempo. (autor). 111 Figura 55 H 2 produzido 1 experimento [a]; 2 experimento [b]. (autor)

10 10 Figura 56 O 2 produzido 1 experimento [a]; 2 experimento [b]. (autor) Figura 57 Gráficos 1 experimento [a]; 2 experimento [b]. (autor) Figura 58 Projeto do circuito para o a potência na produção de H 2 e O 2. (autor) Figura 59 Circuito montado para o primeiro experimento. (autor) Figura 60 Potência fornecida Nível de H 2 [a]; Nível de O 2 [b]. (autor) Figura 61 Gráfico das Grandezas x Tempo. (autor) Figura 62 Projeto do circuito elétrico para o experimento da função CaC. (autor) 122 Figura 63 Circuito montado para estudo da função CaC. (autor) Figura 64 Nível inicial de H 2 para o experimento da CaC. (autor) Figura 65 Gráfico da queda de tensão ocorrida no experimento. (autor) Figura 66 Nível de H 2 ao final do experimento. (autor) Figura 67 Grandezas envolvidas no rendimento da CaC. (autor) Figura 68 Energia produzida pela CaC. (autor)

11 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Principais tipos de CaC e algumas características. [1] Tabela 2 Comparativo do potencial energético. [9] Tabela 3 Informações técnicas do hidrogênio. [2] Tabela 4 Densidade de substâncias comuns (, ). [14] Tabela 5 Fórmulas moleculares e empíricas. [14] Tabela 6 Compressão do gás hidrogênio a. [14] Tabela 7 Unidades fundamentais do Sistema Métrico Internacional (S.I.). [15] Tabela 8 Unidades suplementares do Sistema Internacional. [15] Tabela 9 Algumas unidades derivadas do S.I. [15] Tabela 10 Componentes elétricos e suas identificações. [15] Tabela 11 Experimento Tensão x Tempo Dados dos instantes iniciais. (autor) Tabela 12 Experimento Tensão x Tempo Dados dos instantes finais. (autor) Tabela 13 Experimentos Corrente x Tempo Dados do instante inicial. (autor) Tabela 14 Experimento Corrente x Tempo Dados dos instantes finais. (autor) Tabela 15 Experimento da Potência fornecida - Dados do instante inicial. (autor) 115 Tabela 16 Experimento da Potência fornecida - Dados do instante inicial. (autor) 116 Tabela 17 Potência fornecida a CaC - Resultados do experimento. (autor) Tabela 18 Experimento da CaC Dados do instante inicial. (autor) Tabela 19 Dados coletados no encerramento do experimento. (autor) Tabela 20 Resultados de potência calculados no experimento da CaC. (autor)

12 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS SIGLA DESCRIÇÃO TRADUÇÃO Alkaline Fuel Cell Célula a Combustível Alcalina Analogic Ground Terra analógico CaC Célula a Combustível --- Corrente contínua --- Channel zero Canal zero Channel one Canal um Combined Heat and Power Combinação de calor e potência Direct Etanol Fuel Cell Célula a combustível com uso de etanol direto Direct Metanol Fuel Cell --- Força Eletromotriz --- HHV Hight Heat Value Poder Calorífico Superior Célula a combustível de óxido Intermediate Temperature Solid sólido de temperatura Oxide Fuel Cell intermediária Phosphoric Acid Fuel Cell Célula a combustível de ácido fosfórico Célula a combustível de cerâmica Protonic Ceramic Fuel Cell protônica Proton Exchange Membrane Membrana trocadora de Prótons Proton Exchange Membrane Fuel Cell Célula a combustível com membrana trocadora de prótons Célula a combustível de carbonato Molten Carbone Fuel Cell fundido

13 13 Membrane Electrode Assembly Conjunto de membrana e eletrodo Regenerative Fuel Cell Célula a combustível regenerativa $ Dólar --- Sistema Internacional de Unidades --- Sólide Oxide Fuel Cell Célula a combustível de óxido sólido Tubular Solid Oxide Fuel Cell Célula a combustível de óxido sólido tubular Zinc-Air Fuel Cell Célula a combustível zinco-ar Marca registrada ---

14 LISTA DE FORMULAÇÕES QUÍMICAS FÓRMULA DESCRIÇÃO Metano (Gás natural) Monóxido de carbono Dióxido de carbono (Gás carôonico) Representação dos elétrons Íons de Hidrogênio Mólecula de gás Hidrogênio Fórmula empírica da molécula de água Ácidio Sulfídrico Átomos de oxigênio carregados negativamente Mólecula de gás oxigênio ( ) Representação de substância gasosa

15 SIMBOLOGIA DE EXPRESSÕES MATEMÁTICAS EXPRESSÃO DESCRIÇÃO PRINCIPAIS UNIDADES Área, Carga elétrica C Densidade Diferencial da energia Diferencial da Entropia Distância, comprimento,,, Carga elétrica (Coulomb) Energia Energia Cinética Carga do elétron C Energia Potencial Freqüência Constante de Farady --- Energia de alimentação do combustível Aceleração da gravidade Entalpia Corrente, Constante da relação pressão x volume de um gás --- Massa, Massa do elétron, Massa de Hidrogênio, Massa molecular,

16 16 Massa molar do Hidrogênio, Número de mols Número de Avogadro --- Número de elétrons envolvidos em uma reação Pressão ---,,,, Força peso (Newton) Potencial elétrico de saída Quantidade de calor, Quantidade de calor recebido, Taxa de consumo de combustível Quantidade de calor rejeitado, Quantidade calor revesível Resistêcia, Constante dos gases perfeitos --- Entropia Tempo,, Temperatura, Temperatua inicial, Energia interna do sistema Unidade de massa atômica Volume,,, Tensão Tensão ideal Tensão de operação Número atômico --- Potência,,

17 17 Energia Trabalho elétrico Energia armazendada Energia produzida pela CaC Energia total Variação da energia de Gibbs Variação da entalpia Entalpia de formação ideal Variação da Entropia Calor de entrada no sistema Trabalho de saída do sistema Rendimento % Rendimento do eletrolisador % Rendimento da CaC %

18 SUMÁRIO INTRODUÇÃO OBJETIVOS OBJETIVO PRINCIPAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA CÉLULA A COMBUSTÍVEL O que é uma célula a combustível Histórico das células a combustíveis Partes principais de uma CaC Funcionamento Tipos principais Principais aplicações Benefícios Vantagens e desvantagens HIDROGÊNIO Um pouco da história Acerca do elemento Produção de hidrogênio Armazenamento do hidrogênio Distribuição QUÍMICA GERAL Matéria e seus conceitos fundamentais Formulações Peso atômico e outras massas O mol... 65

19 Gases ideais Relação pressão x volume: Lei de Boyle Efeitos da temperatura: Leis de Charles Comportamento do gás ideal Princípio de Avogadro O átomo ELETRICIDADE BÁSICA A natureza da eletricidade A carga elétrica e o Coulomb O campo eletrostático Diferença de potencial A corrente Fontes de eletricidade Padrões elétricos, símbolos e convenções Lei de Ohm e potência Leis de Faraday TERMODINÂMICA BÁSICA A primeira lei da termodinâmica A segunda lei da termodinâmica Características elétricas das células de combustíveis Eficiência MATERIAIS E MÉTODOS MATERIAIS Célula a combustível Água bi deionizada Termômetro Placa de aquisição de dados Multímetro Materiais diversos EXPERIMENTOS DO ELETROLISADOR

20 Experimentos da Tensão x Tempo Experimento da Corrente x Tempo Experimento da Potência fornecida para produzir H 2 e O EXPERIMENTO DA FUNÇÃO CÉLULA A COMBUSTÍVEL Experimento da CaC DISCUSSÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS EXPERIMENTO DO ELETROLISADOR Experimento da Tensão x Tempo Experimento da Corrente x Tempo Experimento da Potência fornecida para produzir H 2 e O Experimento da CaC Eficiência da CaC SUGESTÕES PARA PRÓXIMOS ESTUDOS ESTUDO TÉRMICO DA CAC ESTUDO DAS CAUSAS DA PERDA DE EFICIÊNCIA ESTUDO DA EFICIÊNCIA EM LABORATÓRIOS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO I

21 INTRODUÇÃO A acentuada degradação ambiental somada ao aumento populacional e ao desenvolvimento das nações têm levantado questionamentos e discussões na comunidade científica sobre o tema produção de energia. Essas discussões são estimuladas ainda pela necessidade de encontrar soluções mais eficientes e menos poluentes para a produção e consumo dessa energia, eliminando em partes com a dependência que existe atualmente pelo petróleo. Essa carência mundial em produção eficiente de energia está alertando cientistas e as grandes empresas produtoras de energia sobre a necessidade de encontrar outras formas para suprir a demanda que cresce diariamente. Por outro lado, a sociedade mundial está se voltando cada vez mais para os cuidados com o meio ambiente. Logo, essa tendência também se reflete nas pesquisas de novas fontes de produção de energia. O interesse em produzir energia de fontes renováveis, não poluentes, está cada vez mais próximo de se tornar realidade. Como sempre, o produto energia é algo que representa às nações a possibilidade de supremacia sobre as demais. Para as nações em desenvolvimento, a possibilidade de deter tecnologias de geração de energia renovável, é algo que representa sair de uma posição de submissão para uma possível posição de referência. Com isso, aproveitando esse panorama mundial, será abordada neste trabalho uma das tecnologias mais eficientes de produção de energia que é a das células a combustível a hidrogênio, com potencial para uso como energia renovável. Assim, serão abordados alguns dados referentes às células a combustíveis, mais especificamente sobre o tipo de membrana trocadora de prótons, pela qual, serão realizados alguns cálculos, visando a difusão do tema, e o entendimento do funcionamento dessa tecnologia antiga, mas ao mesmo tempo inovadora e que será

22 22 em um futuro próximo, possivelmente uma das formas mais empregadas para a geração de energia para o mundo.

23 1. OBJETIVOS 1.1. Objetivo principal Este trabalho tem com objetivo principal realizar uma pesquisa sobre a tecnologia de células a combustível. Essa pesquisa consiste em descrever suas características principais, realizar alguns experimentos, e baseado nestes, desenvolver cálculos para obtenção do rendimento de uma célula a combustível com membrana trocadora de prótons (Proton Exchange Membrane, PEM) Objetivos específicos Tem-se como objetivos específicos: A aquisição de uma célula a combustível para fins didáticos, servindo como base para cálculos de potência e rendimento. Apresentar de maneira clara, os cálculos e os resultados obtidos para propiciar discussões sobre a tecnologia em questão. Apresentar diagramas que representem de maneira gráfica os valores coletados e os resultados obtidos dos cálculos realizados. Difundir e despertar a curiosidade dos leitores sobre esse tema.

24 24 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1. Célula a combustível O que é uma célula a combustível Uma célula a combustível (CaC) é um dispositivo eletroquímico que converte continuamente energia química em energia elétrica enquanto um combustível e algum comburente são fornecidos. [1]. As CaC têm semelhanças comuns com as pilhas, baterias e motores, pois partilham do mesmo princípio de geração de energia (convertendo energia química em trabalho). Entretanto, as CaC não precisam de recargas, e operam com alta eficiência e sem nenhum tipo de ruído. Outra vantagem é que se utilizado o hidrogênio ( ) como combustível, os únicos produtos gerados por essa combustão, são energia elétrica, água e calor. Tratando da termodinâmica da geração e energia, será visto, que uma das diferenças entre motores térmicos e uma CaC se refere a suas eficiências. Motores térmicos são baseados no ciclo de Carnot, mostrado na figura 1, e as células de combustíveis não. Como as CaC convertem energia química em energia elétrica, não envolvendo a conversão de calor em energia mecânica, a sua eficiência pode superar o limite de Carnot até mesmo em temperaturas relativamente baixas, como por exemplo, a. [2] Figura 1 Ciclo de Carnot para motores térmicos. [3]

25 25 Para entender o motivo pelo qual uma CaC alcança uma eficiência maior que outras fontes de energia, é estabelecido um comparativo de um motor térmico e uma CaC. Na figura 2, tem-se um processo de geração de energia elétrica com turbina a vapor e na figura 3, tem-se a geração de eletricidade com uma CaC. Cada processo em função das etapas requeridas. Salienta-se que em cada processo representado por uma caixa nas figuras, há perdas de eficiência, dessa maneira, o sistema de geração de energia que mais processos apresentar, mais perdas terá. Figura 2 Geração de energia elétrica por motor e turbina a vapor. [4] Figura 3 Geração de energia elétrica por uma CaC. [4] De maneira resumida, uma CaC é composta por camadas, sendo que cada uma dessas camadas tem uma determinada função. Duas dessas camadas são os eletrodos. Esses são porosos para que ocorra a passagem dos gases até a camada do meio, o eletrólito. Cobrindo o eletrólito, encontram-se os catalisadores. Esses catalisadores servem para acelerar as reações e quebrar as moléculas de. [2]. Como exemplo desses componentes, citam-se a platina e o níquel. Nas figuras 4 e 5,

26 26 tem-se a representação do conjunto membrana e eletrodo (Membrane Electrode Assembly, MEA). Figura 4 Representação básica de uma CaC. [2] Figura 5 Seção transversal de uma CaC do tipo PEM. [5]

27 Histórico das células a combustíveis A tecnologia de CaC existe a mais de 150 anos. A primeira CaC foi desenvolvida pelo físico inglês chamado William Grove em Nessa época, já se tinha o conhecimento que passando eletricidade pela água, era obtido e oxigênio. Entretanto, foi pelo processo reverso que ocorreu a descoberta, pois aproveitando o e do oxigênio produzido por eletrólise, que se obteve eletricidade, calor e vapor de água. A partir dai, vieram diversos estudos, os quais são apresentados na figura 6 em ordem cronológica. Figura 6 Linha de eventos relacionados a células de combustíveis [1].

28 Partes principais de uma CaC Dentro da família de CaC, existem diversas variações de materiais e estruturas, entretanto, todas partilham basicamente de uma mesma composição, mostradas na figura 7. Figura 7 Representação de uma CaC e suas princiapais partes. [2] Eletrodo do É a camada em que o passa por canais de fluxo desenhados na placa do eletrodo [figura 7]. O objetivo é atingir toda a superfície revestida pelo catalisador. [2] O eletrodo do gás é o terminal negativo, chamado de ânodo. Por ser o componente que conduz a eletricidade, deve ser bom condutor, o que justifica o uso de grafite misturado à resina, ou de metais como aço inoxidável.

29 Eletrodo do oxigênio ou ar Essa é a camada em que o oxigênio passa por canais de fluxo desenhados na placa do eletrodo [figura 7]. O objetivo é atingir toda a superfície revestida pelo catalisador. Observe que é exatamente a mesma descrição do eletrodo do entanto, o que muda neste lado é gás que adentra nos canais da CaC. Por ser o terminal positivo, este eletrodo recebe o nome de cátodo., no Catalisador Durante o fluxo pelos canais dos eletrodos, os gases entram em contato com micro partículas de catalisadores (2ª camada). Nas figuras 4, 5 é possível ver essas partículas. Esses catalisadores [figura 7], além de acelerar as reações químicas, são também responsáveis pela quebra da molécula de em íons positivos e elétrons ( ). O catalisador mais utilizado é o de platina-carbono, entretanto nos últimos cinco anos, estudos concentrados tem mostrado que o catalisador de platina-níquel se sobressai em termos de eficiência e funcionalidade, logo, está ganhando espaço nessa área Eletrólito Juntamente com o catalizador, o eletrólito é a lógica de todo o funcionamento da CaC. Ele pode ser líquido ou sólido, e tem a propriedade de permitir movimento somente dos prótons ( ), fazendo com que o fluxo de elétrons seja direcionado a um circuito externo. Com isso, aproveitando-se esse fluxo de elétrons que passa por fora do eletrólito, se torna possível acender uma lâmpada, ligar e dar movimento ao um automóvel por exemplo. A membrana que comumente é usada atualmente recebe o nome comercial de Nafion a qual é marca registrada da Dupont. O polímero apresenta sua fórmula molecular conforme mostrado na figura 8.

30 30 Figura 8 Estrutura molecular da membrana polimérica Nafion. [2] Funcionamento A seguir é apresentado um descritivo de como ocorre o processo de geração de energia com uma CaC. Salienta-se que o processo apresentado abaixo é semelhante para todos os tipos de células, diferenciando-se basicamente no produto resultante das reações. As etapas do funcionamento são: I. A CaC simples é constituída de dois lados. Em um desses lados, onde se encontra o ânodo, o gás é bombeado pelos canais de fluxo até que atinja o catalisador, como mostra a figura 9. Figura 9 H 2 entrando em contato com o catalisador. [2]

31 31 II. No momento em que ocorre o contato do com o catalisador, é III. realizada a separação entre íons de e elétrons. Dessa forma, surgem dois íons de hidrogênio ( ) e dois elétrons ( ). Como visto anteriormente, o eletrólito só permite a passagem dos íons de, sendo que os elétrons são direcionados pelos eletrodos a um circuito externo no sentido do cátodo. Esse fluxo de elétrons que ocorre pelo circuito externo é utilizado para o uso nas mais variadas aplicações. As moléculas de que não são quebradas são realimentadas até que o processo seja feito por completo. A reação química que ocorre nessa etapa é mostrada na equação 1 e representada na figura 10: (1) Figura 10 Representação das reações químicas que ocorrem em um CaC. [6]

32 32 A figura 11 representa o efeito que é descrito nas etapas II e III. Figura 11 Quebra das moléculas de H 2 e fluxo de elétrons. [2] IV. No mesmo instante em que o é bombeado para dentro da CaC, o gás oxigênio ( ) também é bombeado no outro lado da célula. Nesse lado, encontra-se o terminal positivo do eletrodo. A figura 12 representa o passando pelos canais de fluxo e entrando em contato com o catalisador, porém no lado inverso. Figura 12 Mólécula de O 2 entrando nos canais de fluxo da CaC. [2]

33 33 V. No instante em que a molécula de oxigênio entra em contato com o catalizador, essa recebe os íons de que passaram pelo eletrólito e também recebe os elétrons que vem pelo circuito externo. Nesse momento, ocorre a liberação de calor e a formação da molécula de água ( ), o que resulta em vapor de água. A reação química que ocorre é apresentada na equação 2: (2) A figura 13 representa o processo descrito na etapa V. Figura 13 Formação de vapor de água. [2]

34 Tipos principais Atualmente existe uma família de CaC que pode ser caracterizada pelo eletrólito usado, ou ainda pelas siglas mostradas na tabela 1. A base funcional de todas essas células segue o mesmo princípio. No ânodo, um combustível que geralmente é o, é oxidado em elétrons e prótons. No cátodo o oxigênio é reduzido e forma água com o que se transfere de um lado oposto CaC. Tabela 1 Principais tipos de CaC e algumas características. [1] TIPO ELETRÓLITO ESPÉCIE TRASNPORT. TEMP. DE OPERAÇÃO C COMBUSTÍVEL EFICIÊNCIA ELÉTRICA POTÊNCIA ALCANÇADA / APLICAÇÃO AFC Concentrado / militar e espacial PEMF C Polímero condutor de prótons (Ex.: Nafion¹) puro, mas tolerante a kw (CHP) / Ramo automotivo e de equipamentos portáteis PAFC Ácido Fosfórico puro, mas tolera até 1% de 200 kw (CHP) MCFC Carbonato de lítio e potássio, outros hidrocarboneto s (Tolera ) Alcance de 200 kw - MW (CHP e somente célula) SOFC Eletrólito de óxido Sólido (yttria, zirconia), outros hidrocarboneto s (Tolera ) Alcance de 2 kw - MW (CHP e somente célula) AFC (Alkaline Fuel Cell) CaC alcalina. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) CaC com membrana trocadora de prótons. PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) CaC de ácido fosfórico. MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) CaC de carbonato fundido.

35 35 SOFC (Sólide Oxide Fuel Cell) CaC de óxido sólido. Possui algumas derivações que são chamadas de PSOFC (Planar Solid Oxide Fuel Cell) - CaC de óxido sólido na forma planar; TSOFC (Tubular Solid Oxide Fuel Cell) - CaC de óxido sólido na forma tubular; ITSOFC (Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell) - CaC de óxido sólido de temperatura intermediária (600 C a 800 C). [1,7] Existem ainda outras tecnologias que seguem a base das células apresentadas acima. Dessas citam-se: DMFC (Direct Metanol Fuel Cell) - CaC com uso de metanol direto. DEFC (Direct Etanol Fuel Cell) - CaC com uso de etanol direto. RFC (Regenerative Fuel Cell) CaC regenerativa. ZAFC (Zinc-Air Fuel Cell) CaC de zinco - ar. PCFC (Protonic Ceramic Fuel Cell) CaC de cerâmica protônica. Outra classificação das células a combustíveis é regida pela temperatura de trabalho dessas. Assim, tem-se o subgrupo das que trabalham sob regime de alta temperatura e as de baixa temperatura. Estão no subgrupo de alta temperatura de operação a SOFC e MCFC (800 C a 1000 C). Já no de baixa temperatura de operação estão a PEMFC, DEFC, DMFC, PAFC e AFC (80 C a 600 C). As ITSOFC surgiram a fins de baratear e estabilizar estruturalmente os componentes das CaC, pois possibilitam assim empregar componentes mais acessíveis com uma estabilidade dimensional melhorada. [8] Entretanto, as SOFC e MCFC possuem papel importante na geração de energia estacionária. Estas duas CaC têm duas grandes vantagens sobre as do tipo de baixa temperatura. [1]. A primeira grande vantagem está relacionada às altas eficiências elétricas alcançadas. Protótipos construídos em laboratórios têm alcançado mais de 45%. Isso as torna particularmente atraentes para a eficiência no setor de energia estacionária.

36 36 Em segundo lugar, as altas temperaturas de operação permitem de maneira direta o processamento interno de combustíveis, tais como gás natural. Isto reduz a complexidade do sistema em comparação as centrais elétricas de baixa temperatura, as quais requerem a geração de hidrogênio em etapas adicionais no processo. [9] Principais aplicações Foram nos programas espaciais Gemini e Apollo que surgiram as primeiras aplicações para as CaC. Na figura 14 é possível ver o modelo utilizado pelos programas [2]. Além de gerar energia elétrica, também servia para a produção de água para o sistema da nave. Era exatamente o que a NASA National Administration Space Aereo (Administração Nacional da Aeronáutica e do Espaço) precisava, pois se tratava de um equipamento que gerava energia com eficiência e que utilizava um combustível leve e com grande densidade de energia como o. Nessa época, devido a ser uma tecnologia cara e de certa forma inovadora, suas aplicações limitava-se a programas espaciais. [1,2] Figura 14 CaC usada nos programas da NASA. [2]

37 37 Pesquisas extensivas estão sendo realizadas sobre CaC e seus componentes, na tentativa de viabilizar o uso comercial desse equipamento. Atualmente, essas são aplicadas em diversas áreas, mas estão recebendo destaques nas áreas de transporte, geração de energia para residências, centros comerciais, hotéis e hospitais, estações de energia e em equipamentos portáteis. Assim, gradativamente, as células de combustíveis estão ganhando espaço no cenário de geração de energia Transporte O setor de transportes é o que mais apresenta vantagens para o uso das CaC. É bem provável que essa tecnologia se torne a mais séria candidata a competir com os motores de combustão interna. Isso se dá devido ao comparativo de eficiência, onde as células de combustíveis por gerarem energia por um processo eletroquímico (transformação química em energia elétrica sem processos intermediários) possuem uma eficiência elevada em relação aos motores térmicos. Outro quesito que torna essa tecnologia mais atraente do que os motores de combustão interna é o fato da emissão zero. Com a tendência mundial em seguir na redução de poluentes, o fato de produzir energia elétrica sem poluir, é algo que sustenta a ideia de que as células são sim uma maneira de caminhar para um futuro mais limpo. Entretanto, uma das principais barreiras nessa aplicação, está em relação ao armazenamento do combustível, ou seja, do. Atualmente existe um número pequeno de veículos movidos a CaC, isso se comparando-se com veículos de motores de combustão interna. A aplicação em ônibus já se tornou realidade, visto que o problema de armazenamento já está resolvido pelo fato de ser um veículo de porte maior Energia estacionária Com o avanço de pesquisas referentes à aplicação no setor automobilístico, outras aplicações, incluindo a energia estacionária, estão sendo beneficiadas com

38 38 esse desenvolvimento. A geração de energia estacionária é vista como o segundo principal setor para a tecnologia de CaC. [1]. A redução das emissões de é um argumento importante para a utilização de CaC em pequenos sistemas de energia estacionária, particularmente na produção combinada de calor e geração de energia Energia portátil Este mercado é o menos definido dos outros, mas com grande potencial para o ingresso dessa tecnologia. O termo CaC portáteis, muitas vezes inclui várias aplicações. Essas aplicações variam de acordo com a necessidade e com o combustível a ser utilizado. Apenas como curiosidade, já existem alguns notebooks que utilizam dessa tecnologia para seu funcionamento Benefícios O possível uso futuro de células a combustíveis pode trazer muitos benefícios ao planeta. São eles: [1,2,9]. Redução da emissão de poluentes no ar e melhora na qualidade da saúde respiratória, especialmente em áreas urbanas que já apresentam problemas de baixa qualidade do ar; Redução da emissão de partículas na atmosfera, como cinzas da fumaça; As células a combustível praticamente não emitem poluentes; Redução da emissão de gases causadores do efeito estufa; Redução da poluição sonora, pois as CaC não têm partes móveis e operam silenciosamente. Redução da contaminação do lençol freático a partir dos automóveis. Hoje, praticamente todos os veículos utilizam óleo para lubrificação dos motores, ocorrendo muitos vazamentos que contaminam a superfície e provocam acidentes nas estradas.

39 39 Redução de prejuízos na agricultura através da redução da chuva ácida e níveis de concentrações de ozônio próximo à superfície; Diminui a quantidade de baterias convencionais e nocivas ao meio ambiente jogadas em aterros sanitários; Redução da sobrecarga nas linhas de transmissão, possibilitando direcionar os investimentos para outras áreas, como a geração distribuída, melhorando a eficiência energética; Aumento da segurança de energia; Crescimento econômico, desenvolvimento e criação de empregos Vantagens e desvantagens Os tipos de células abordadas nesse trabalho possuem regimes operacionais significativamente diferentes. Isso se dá devido à diferença entre os materiais de construção, as técnicas de fabricação e outros requisitos pertinentes de cada tipo. Devido a essas diferenças cada tipo de célula tem suas peculiaridades, sendo algumas apresentadas como vantagens e outras como desvantagens em relação ao potencial desses dispositivos. AFC - Trata-se de uma das mais recentes células desenvolvida. Sua criação se deu em meados de 1960, onde teve como principal uso a geração e fornecimento de energia elétrica para a nave espacial Apollo. [1]. Possui como grande vantagem seu excelente desempenho com e oxigênio ( ), isso comparado com os outros tipos de combustíveis. Seu eletrólito é composto por uma solução aquosa de hidróxido de potássio ( ) concentrado. Opera em temperaturas entre 50 e 200 C sendo que nesses casos usa-se somente puro e oxigênio como combustível. Por esse motivo, tem seu aproveitamento limitado em transportes e na geração de energia estacionária. PEMFC: A PEMFC, como a SOFC, possui um eletrólito sólido, o que se torna uma vantagem, pois apresentam uma excelente resistência à passagem de

40 40 gás, visto que este necessariamente precisa ser jogado para dentro da célula sob determinada pressão. A principal diferença entre a PEMFC e a SOFC, diz respeito à temperatura de trabalho, pois como visto anteriormente a PEMFC faz parte da família das células de baixa temperatura chegando aos. Por um lado, essa característica se torna uma vantagem, pois é possível trazer a célula a sua temperatura ideal de trabalho mais rapidamente. Por outro, uma desvantagem, pois não é possível o uso do calor gerado para a cogeração de energia adicional, o que representaria uma eficiência maior. Outra vantagem importante, é que esse tipo de célula pode operar com densidades de correntes mais elevadas às outras células. Ainda como vantagem, cita-se a possibilidade de usar o próprio ar como substituto para o oxigênio. Várias particularidades fazem da célula do tipo PEM uma candidata em potencial para aplicações automotivas e emprego doméstico. [10] PAFC: Utilizam ácido fosfórico concentrado ( ) como eletrólito e operam com temperaturas superiores às das células do tipo PEM e AFC (entre e ). O princípio de funcionamento segue o mesmo que nas células de membrana polimérica, entretanto, apresentam como vantagem sobre essas, a velocidade em que as reações ocorrem devido à alta temperatura de trabalho. As PAFC podem chegar a uma eficiência de devido à cogeração de energia utilizando o calor gerado pela célula. Com isso, se torna atraente o uso comercial dessa CaC, sendo utilizada em escolas e hospitais. [10] MCFC: Obedece ao mesmo princípio de funcionamento das demais. Entretanto, atinge uma temperatura de operação de aproximadamente. Com isso, a possibilidade de uso para cogeração de energia também se torna viável. Pode ser feita de materiais mais comuns, sem a necessidade de empregar materiais caros como platina, visto que seus catalisadores são feitos de níquel. O eletrólito das células do tipo MCFC é formado por uma

41 41 solução líquida de carbonatos (Lítio, Potássio e/ou Sódio) imersa em uma matriz. [10]. Sua elevada temperatura de operação é utilizada para alcançar um nível ideal de condutividade do eletrólito. Com isso, a velocidade em que ocorrem as reações também são maiores. Como desvantagem, a instabilidade dimensional dos componentes da célula se torna algo que prejudica seu desempenho. ITSOFC: Apresentam os melhores atributos disponíveis no mercado de desenvolvimento de tecnologia celular. Devido ao emprego de componentes cerâmicos para eletrodos e eletrólitos, se faz possível o uso de hidrocarbonetos e monóxido de carbono como combustível, pois o carbono não consegue ficar depositado sobre as partes internas da célula. Como desvantagem, a velocidade em que as reações ocorrem é reduzida, haja vista a sua temperatura intermediária de operação. [1] TSOFC: Esse tipo de célula antecede a AFC. Seu desenvolvimento começou a partir de A construção sólida de cerâmica do eletrólito se apresenta com uma das principais vantagens desse tipo, pois apresenta maior resistência aos problemas de corrosão que são característicos das células de eletrólito líquido. Devido à temperatura de operação ser s alta ( ), a cinética da célula também se torna rápida. Ainda como vantagem, tem-se a possibilidade de uso de ar comum com combustível, entretanto, para que se possa ter uma elevada eficiência, esse necessariamente precisa ser préaquecido o que geralmente é feito através do próprio calor gerado pela célula. O restante do calor que não é utilizado pra pré-aquecimento de ar, pode ser usado para a cogeração de energia. Outra desvantagem relacionada à temperatura de operação desse tipo de célula diz respeito a sua fabricação. Como a temperatura é elevada, não se podem utilizar materiais comuns, ou ainda materiais que apresentam elevada dilatação térmica, pois isso afetaria tanto o seu desenvolvimento como também a própria vedação entre componentes da célula.

42 Hidrogênio Será abordado nesta seção acerca do elemento químico Hidrogênio. Será definido primeiramente esse elemento por se tratar do combustível das CaC do tipo PEM e será a partir deste tipo de célula, todo o estudo realizado neste trabalho. Pode-se dizer que esse gás não é uma fonte de energia primária, pois não é tão fácil encontra-lo livre na natureza. Diz-se que uma fonte primária é aquela que não necessita de nenhuma transformação para se tornar energia. Por ser um elemento que dificilmente é encontrado sozinho, necessariamente precisa-se extraí-lo de outros componentes encontrados na natureza. Será visto neste capítulo algumas curiosidades, propriedades, formas de obtenção e métodos de armazenamento desse combustível que apresenta grande potencial energético Um pouco da história Para o melhor entendimento, inicia-se pelo histórico desse precioso e abundante elemento químico, o Hidrogênio. Apesar da importância que esse elemento está apresentando no panorama mundial de energia, sua descoberta não é algo recente. Ele existe de desde a formação do universo. Em verdade, sua origem se deu a mais de 15 bilhões de anos atrás, segundo o que algumas teorias estabelecidas pela física (como a de Freidmann) tentam explicar através da grande explosão chamada de Big Bang (suposta explosão que originou o universo). Entretanto, olhando para tempos mais próximos, há aproximadamente 500 anos, alguns cientistas já realizavam experimentos onde o resultado das reações químicas realizadas era o hidrogênio. Logicamente que com os recursos utilizados na época, a identificação do hidrogênio se tornou uma algo extremamente difícil. O primeiro registro histórico deu-se com o alquimista suíço Paracelsus ( ) mostrado na figura 15, o qual misturou metais com ácidos e produziu um ar

43 43 explosivo [11]. Nota-se que até então, não se tinha conhecimento de que esse gás fosse o. Figura 15 Paracelsus Não sabia o que se tratava sua descoberta [11]. Alguns anos mais tarde, um cientista conhecido com Robert Boyle ( ), mostrado na figura 16, mais conhecido pela Lei de Boyle para um gás ideal, realizou o mesmo experimento que Paracelsus, e resolveu publicar suas descobertas em um artigo, onde chamou o de Solução inflamável de Marte. [11]. Figura 16 Robert Boyle [11].

44 44 Somente então em 1766, Henry Cavendish, mostrado na figura 17, reconheceu este gás como uma substância química única. Esse reconhecimento se deu do resultado de uma reação entre metais e ácidos, o que originou um gás inflamável e que quando queimado na presença de ar, produzia água. [11] Figura 17 Henry Cavendish [11]. Foi Antoine Lavoisier, mostrado na figura 18, que em 1783, deu nome de hidrogênio ao elemento químico e provou que a água é composta desse elemento e de oxigênio. Também observou que quando o oxigênio, havia a formação de orvalho. [12] era queimado na presença de Figura 18 Antoine Laurent Lavoisier Nomeou o hidrogênio [11].

45 45 Antes mesmo de receber o nome de hidrogênio, esse gás teve uma grande aplicação que foi o uso em balões. Em 1783, Jacques Charles, mostrado na figura 19, empregou o pela primeira vez no transporte. Usou o gás como forma de subir um balão a uma altura de 550 metros. O balão mostrado na figura 20 recebeu o nome de "La Charlière". [11]. Ele também descobriu a Lei de Charles, que se refere aos gases perfeitos. Essa lei enuncia que sob pressão constante, o volume de uma dada massa de gás varia proporcionalmente com o valor da sua temperatura absoluta. Figura 19 Jacques Charles Subiu um balão com hidrogênio. [11]. Figura 20 La Charlière de Jacques Charles. [11].

46 Acerca do elemento O hidrogênio é o elemento químico mais abundante, mais simples e mais comum de todo o universo. Ele compõe da massa do universo, e das moléculas do corpo humano. No planeta Terra, compõe aproximadamente da superfície terrestre [2]. Em seu estado natural e sob condição ambiente, o é um gás inodoro, insípido e incolor, e se apresenta muito mais leve que o ar. Pode ser encontrado no estado líquido, ocupando um volume 700 vezes menor do que se estivesse em forma de gás. [2]. Entretanto, neste caso ele necessariamente tem que estar a uma temperatura de e à pressão atmosférica, em sistema de armazenamento conhecidos com sistemas criogênicos. Acima dessa temperatura, se transforma em gás o qual pode ser armazenado em cilindros de alta pressão. Como é quimicamente ativo, o está sempre à procura de outro elemento para se combinar. Dependendo da concentração, as misturas de gás com oxigênio são inflamáveis e até mesmo explosivas. Quando queimado com oxigênio puro, os únicos subprodutos são calor e água. Quando queimados com ar, constituído por de nitrogênio e de oxigênio, alguns óxidos de nitrogênio ( ) são formados, entretanto, ainda assim é menos poluente que os combustíveis fósseis. [2]. Se tratando de tabela periódica, é o elemento químico que ocupa a primeira casa e é representado pela letra. Trata-se de um elemento extremante simples, visto que tem um número atômico de e uma massa atómica próxima de, dado que o seu isótopo mais abundante tem um núcleo unicamente constituído por um próton. O possui aproximadamente 2,4 vezes mais energia que o gás natural por unidade de massa, e cerca de 1100 vezes mais que uma bateria ácida. Sabendo que 1 kwh equivale a 3600 joules, na tabela 2 tem-se a representação desse potencial em relação a outras substâncias. [9]

47 47 Tabela 2 Comparativo do potencial energético. [9] PORTADOR DE ENERGIA FORMA DE ARMAZENAMENTO DENSIDADE DE ENERGIA POR MASSA DENSIDADE DE ENERGIA POR VOLUME ( ) ( ) Gás ( ) 33,3 0,53 Gás ( ) 33,3 0,75 Hidrogênio Gás ( ) 33,3 2,92 Líquido ( ) 33,3 2,36 Hidretos metálicos 0,58 3,18 Gás ( ) 13,9 2,58 Gás natural Gás ( ) 13,9 3,38 Líquido ( ) 13,9 5,8 GLP Líquido 12,9 7,6 Metanol Líquido 5,6 4,42 Gasolina Líquido 12,7 8,76 Gasóleo Líquido 11,7 9,7 Eletricidade Bateria (Ácido - Chumbo) 0,05 0,1 Bateria (Íons de Lítio) 0,25 0,05 Se tratando de segurança, haja vista que é um gás explosivo, abaixo são relacionadas em itens as principais características desse elemento. Não entra em detonação ao ar livre; Não é tóxico (mas pode ser asfixiante se consumir todo o oxigênio de um ambiente fechado); Não é radioativo; Não é corrosivo; Não contamina a água; Não é cancerígeno; Não entra em autoignição na temperatura ambiente; Tem alto coeficiente de difusão e por isso dilui rapidamente no ar; Quando sofre ignição ao ar livre, geralmente queima antes de atingir o valor limite para ocorrer a explosão;

48 48 Não produz produtos perigosos de decomposição; Na tabela 3 são apresentadas algumas informações técnicas do. Tabela 3 Informações técnicas do hidrogênio. [2] INFORMAÇÕES SOBRE O HIDROGÊNIO Símbolo químico Cor Incolor Estado físico a temperatura e pressão Gás ambiente Temperatura de autoignição 584 C Poder Calorífico Inferior ( ) Poder Calorífico Cuperior ( ) Poder calorífico superior ( ) Densidade (0 C e 1 atm) ( ) Ponto de ebulição (na pressão de ) Limite de inflamabilidade no ar Inflamável entre as concentrações de a de por volume Coeficiente de difusão A energia contida em de equivale a 0,34 litros de gasolina A energia contida em 1 litro de hidrogênio líquido equivale a 0,26 litros de gasolina A energia contida em de equivale a de gasolina (baseado em valor calorífica) Massa atômica do = = Produção de hidrogênio A utilização do como base para a produção de energia através de biomassas e combustíveis (como o etanol) ou utilizando a energia elétrica produzida a partir de fontes renováveis (hidráulica, eólica e solar fotovoltaica), transformando

49 49 eletricidade em energia transportável e armazenável, vem sendo alvo de grandes estudos e consequentemente cada vez mais vem mostrando que é uma das formas mais eficientes e ambientalmente corretas, principalmente quando associada à utilização de CaC para conversão do em energia elétrica. Estas características do, que é a possibilidade de sua produção através de diversos insumos e processos, colocam esse elemento na posição chave de integração entre diversas tecnologias, como pode ser visto na figura 21. Figura 21 Meios possíveis para produção de hidrogênio. [13] Entretanto, mesmo com tantas formas de produção, essa tarefa se torna um desafio a ser vencido, pela necessidade de se produzir em grande escala. Atualmente é produzida cerca de 500 bilhões de metros cúbicos por ano, a pressão ambiente. [2]. A principal utilização nos dias atuais é para a produção de produtos químicos como plásticos e amônia, na indústria de eletrônicos e em áreas de refrigeração. Além do mais, uma grande fatia dessa produção se dá de fontes não renováveis, ou seja, de fontes convencionais que geram poluentes, tais como o gás de carvão gaseificado (produção anual média de 90 bilhões) gás natural (produção anual média

50 50 de 240 bilhões) e pela reforma de petróleo (produção anual média de 150 bilhões). [2]. Visto assim, para que este combustível se torne realmente sustentável, necessariamente precisa-se promover a produção de de fontes renováveis tais como eletrólise da água em hidrelétricas, por energia solar e eólica. Outra forma de obtenção de coloca o Brasil em posição de vantagem em relação aos outros países. Esta solução está no seu agronegócio, que pelo álcool da cana de açúcar, pelo biodiesel a partir da soja, girassol e outras plantas, pode-se ter um elevado volume de produção anual de. Dentre essas possibilidades, uma que desponta é a gaseificação da biomassa e do lixo urbano (biogás) que torna a produção de uma grande oportunidade para o país, especialmente em aterros sanitários e estações de esgotos Produção de hidrogênio por eletrólise A produção de por eletrolise é um processo relativamente simples. Este processo utiliza-se a energia elétrica para quebrar a molécula da água ( ) e obter seus constituintes, o e o oxigênio. O processo mais conhecido comercialmente é chamado de eletrólise alcalina. Este tipo de eletrólise é indicado para grandes produções de. Para ocorrer a quebra da molécula de água (ligação entre e oxigênio), a tensão deve ser maior que. [2]. Geralmente se utiliza um valor de aplicado entre dois eletrodos que estão submersos a uma solução que conduz íons. Esta solução recebe o nome de eletrólito. A reação ocorre da seguinte maneira. No eletrodo positivo, chamado de ânodo, ocorre a produção de oxigênio. Opostamente, no eletrodo negativo, conhecido como cátodo, ocorre a produção do. Salienta-se aqui, que a tensão necessária pra quebrar a molécula da água, varia de acordo com a pressão e a temperatura.

51 51 Entretanto, existem outros métodos que estão em fase de pesquisa. Um deles são os eletrolisadores PEM que utilizam uma membrana plástica capaz de conduzir cargas positivas (próton), como ocorre com as células de combustíveis. Para fins informativos, somente da produção mundial é gerada a partir da eletrólise da água. Isto se deve ao custo da eletricidade que equivale a dois terços do custo operacional da produção do, se tornando mais caro que os outros métodos como o gás natural. [2] Produção de hidrogênio a partir de fontes fósseis Cerca de da produção total de é proveniente de processos químicos em indústrias e refinarias em que o é obtido como subproduto de combustíveis fósseis. Destes, destacam-se o petróleo, o gás natural e o carvão. [2]. A três formas mais comuns de se obter a partir desses combustíveis são: Reforma a vapor: É o processo mais eficiente pra a produção de atualmente (cerca de a ) [2]. Seu princípio consiste em misturar vapor superaquecido ( ) ao gás natural ( ), por exemplo, e convertê-lo numa mistura rica em e monóxido de carbono ( ). Depois se combina esse monóxido de carbono com água ( ) para formar mais e dióxido de carbono ( ). Atualmente, as grandes unidades de produção de que utilizam desse método, tem capacidade de produção de. Oxidação parcial: É um processo parecido com o anterior, sendo que a principal diferença está na adição de oxigênio ou ar nas reações. Com isso, torna-se possível utilizar combustíveis mais pesados com mais átomos de carbono, como o petróleo e o carvão gaseificado. Pirólise a plasma: Consiste na aplicação de um arco elétrico em um hidrocarboneto gasoso como o gás natural. Quando a conversão ocorre, obtém-se hidrogênio e carbono. Esse processo ocorre a uma temperatura

52 52 de, e tem como vantagem a não emissão de gases, como o ( ), um dos responsáveis pelo efeito estufa Produção de hidrogênio a partir dos biocombustíveis A produção de a partir dos biocombustíveis é algo que o Brasil pode tirar proveito, pois apresenta diversas possibilidades para tal. É possível produzir biocombustíveis a partir dos aterros sanitários, da gaseificação da biomassa, do uso do álcool obtido da cana de açúcar (Brasil). Até mesmo pode-se produzir de excrementos de animais nas fazendas e do lixo orgânico de casa. Abaixo é apresentado um breve descritivo de algumas formas de obter de biocombustíveis. Lixo urbano: O gás produzido nos aterros sanitários é proveniente da ação de micro-organismos anaeróbico no lixo orgânico gerado nas cidades. Esse gás, geralmente contém mais de de metano ( ), sendo o restante, dióxido de carbono ( ), nitrogênio, uma menor parte de hidrogênio e oxigênio e por fim ácido sulfídrico ( ). [2]. Este último por sua vez é nocivo a alguns componentes da CaC, e necessariamente precisa ser filtrado para níveis mais baixos. Um dos grandes problemas diz respeito ao uso do metano gerado nesses lugares, pois este se não utilizado para produção de energia, acarreta problemas como o efeito estufa. Biomassa: A biomassa (bagaço de cana de açúcar, bambu, lenha e outros resíduos agrícolas) é uma fonte de energia renovável. Essa biomassa pode ser convertida em combustível líquido ou em gás. Para a produção de, tem-se que convertê-la em gás como o biogás. Este por sua vez não é obtido somente da biomassa, mas como visto anteriormente pode vir de restos do lixo orgânico e de esgotos. Embora o biogás proveniente da biomassa seja pobre em metano, tem-se com ele a possibilidade de produção de.

53 53 Biogás: O biogás pode ser utilizado diretamente em algumas tecnologias de células de combustíveis que funcionam em alta temperatura ( C a ). Essas células são mais resistentes a alguns compostos presentes no biogás como o ácido sulfídrico dito anteriormente e o monóxido de carbono. [2]. Isto se dá, devido a usarem catalizadores de níqueis, pois as reações químicas a altas temperaturas ocorrem de maneira mais rápida, não necessitando um catalisador como a platina, utilizada em células de baixa temperatura. O biogás pode ser convertido em puro, através de purificadores, e utilizado em células de combustíveis de baixa temperatura. Quanto mais puro o hidrogênio, melhor para a CaC Produção de hidrogênio a partir da energia solar O sol é uma fonte de energia abundante, renovável e que não polui o ecossistema. Quantificando o aproveitamento dessa energia, pode-se afirmar aproximadamente que dessa energia é refletida de volta para o espaço. O restante, é absorvida pela atmosfera e pela superfície da Terra, sendo ainda, que parte dessa energia é utilizada para evaporação da água e aproximadamente de a é aproveitado para a fotossíntese de plantas e algas. [2]. Pensando em aproveitar essa energia que chega a terra, utiliza-se um dispositivo chamado de painel solar fotovoltaico. Este produz eletricidade a partir da energia do sol. Sendo assim, torna-se possível a eletrólise da água sem a formação de produtos poluentes, e com uma fonte de energia inesgotável e gratuita, como o sol. Esses painéis abrem a possibilidade de produção de em casas, e em postos de combustíveis, evitando as perdas e os custos decorrentes da distribuição. Entretanto, como todo processo tem suas vantagens e desvantagens, os painéis fotovoltaicos têm como principais críticas o custo elevado e a eficiência reduzida. Painéis utilizados pela NASA, atualmente estão próximos dos de eficiência, porém, os comerciais estão somente entre a de eficiência. [2]

54 54 Para efeitos informativos, pesquisas realizadas afirmam que desde a década de 1970, o custo desse equipamento caiu mais de 50 vezes e sua eficiência triplicou Produção de hidrogênio a partir de hidrelétricas As grandes e pequenas hidrelétricas apresentam um grande potencial para a produção de verde, ou seja, sem a emissão de poluentes e gases do efeito estufa. Quando comparado com o produzido através de outros processos como a reforma de gás natura e biogás, o retirado a partir da água (eletrólise) é mais fácil de purificar. [2]. Em períodos de chuva, o excesso de água normalmente é desperdiçado. Com essa quantidade desperdiçada seria possível produzir e oxigênio para CaC. Para tornar o custo menor do processo de eletrólise, o poderia ser produzido em horários que não fossem de grande consumo, quando o preço da energia elétrica é menos oneroso Armazenamento do hidrogênio A questão de armazenamento do produzido é um dos fatores determinantes para o emprego das CaC em veículos. O objetivo principal é o desenvolvimento de tanques que armazenem a maior quantidade possível de energia com o mínimo peso, volume e custo. Devido ao ser um dos elementos mais leves da natureza e apresentar uma molécula extremamente pequena, este gás pode escapar facilmente de tanques de armazenamento. Por sua vez, esses tanques precisam ser completamente vedados, o que somente é possível com processos produtivos de alta tecnologia. Dentre as diversas propriedades do, se este for utilizado como combustível surge a necessidade de procurar meios de armazená-lo de maneira efetiva e segura, avaliando desde o local em que é produzido até o local onde é realizado o seu consumo.

55 55 Outro quisto a ser avaliado e que atualmente é considerado desafiador, é a questão de capacidade de armazenagem, visto que isso define a autonomia tanto de veículos como em aplicações portáteis, estacionárias e espaciais Armazenamento de hidrogênio comprimido O armazenamento do e tubos de alta pressão é um dos sistemas mais comuns e também mais desenvolvidos atualmente. Entretanto, o desafio está em atender de forma adequada as necessidades do mercado. Se forem grandes, além do espaço que irão ocupar, resulta em aumento do peso. Por outro lado, se for de tamanhos reduzidos, menor o volume de gás contido neles. Ou ainda, pode-se ter um volume de gás elevado, entretanto a pressão mais alta, fazendo com que o cilindro tenha que ser de elevada resistência. Atualmente, nesses reservatórios utilizados em veículos, possuem pressão que vão de a. Entanto, utilizando cilindros de, o estado da arte da tecnologia já superou o teste padrão de explosão para. [2]. Outro fator preocupante, diz respeito ao aumento de pressão devido ao aumento da temperatura. Em avaliações feitas notou-se que a pressão dentro desses cilindros se eleva em media. Obviamente que estudos estão sendo realizados em cima desses reservatórios, onde os mais modernos já estão usando plásticos e fibras de carbono Armazenamento de hidrogênio líquido Em frente à complexidade de armazenar hidrogênio em gás, devida a altas pressões pode-se pensar em outra forma de armazenamento. Essa forma é no estado líquido. Em verdade, atualmente já se utiliza esta forma de armazenamento, entretanto, não se torna viável devido ao (temperatura criogênica). se liquefazer somente a temperatura de

56 56 Para mantê-lo no estado líquido, se gasta em torno de a da energia do para tal. [2]. Entretanto, desponta uma vantagem vista na tabela 4, onde notase que a densidade de energia do líquido é maior que a da gasolina. Outra vantagem do líquido diz respeito ao transporte. Como este possui maior densidade de energia do que o estado gasoso visto isto em volumes iguais, resultaria em ganhos no transporte desse combustível, pois o carregamento seria de um potencial energético maior do que um carregamento de gás Armazenamento de hidrogênio em hidretos metálicos É um dos métodos mais seguros de armazenar, visto pelo fato de que depois que ligado quimicamente, o hidrogênio fica armazenado sob pressão ambiente ou em pressões bem baixas. Esse método só é possível graças a existir ligas metálicas que possuem a propriedade de absorver o tal como uma esponja absorve a água. Quando o sob pressão entra em contato com a superfície do material, este penetra no mesmo, formando uma mistura sólida de metal e conhecido como hidreto metálico. Quando ocorre a ligação química entre o e essas ligas, também ocorre a liberação de calor. Portanto, para que ocorra esse quebra de ligações, é necessário apenas aquecer o hidreto metálico. Existem centenas de tipos de hidretos metálicos e cada qual funciona em diferentes temperaturas e pressões. Esses modelos podem ser usados em aplicações estacionárias, portáteis e até mesmo móveis Armazenamento de hidrogênio em nano fibras de carbono As nano fibras de carbono são construídas na forma de várias camadas de placas de grafite. Em algumas publicações atuais, relatam que nesse processo já é possível o armazenamento dos em relação ao peso total. Portanto para atingir essa capacidade, a pressão deve estar em aproximadamente.

57 57 Para extrair o dessas fibras, bastaria reduzir a pressão para, o que faria com que o combustível saísse das fibras para o uso como gás. Com isso, a possibilidade da aplicação de em veículos estaria resolvida, sendo também extinta a necessidade de postos de combustíveis para abastecimento Armazenamento de hidrogênio em micro esferas de vidro Esta forma consiste em armazenar hidrogênio em micro esferas de vidro menores que de diâmetro. Essas esferas são capazes de resistir a pressões de. Só para fins comparativos, os cilindros de maior pressão utilizados para armazenar hidrogênio e veículos, atingem. Para que o hidrogênio se infiltre nesses grãos de vidro, é necessário aquecer essas esferas a uma faixa de temperatura entre a. Na temperatura ambiente, o hidrogênio permanece aprisionado Armazenamento de hidrogênio em plásticos Apesar de essa tecnologia ser recente e ainda estar sobre foco de intensos estudos, a armazenagem de hidrogênio em plásticos é algo que não surtiu grandes rendimentos. Alguns cientistas já conseguiram armazenar com sucesso somente de hidrogênio em relação ao seu peso total. [2] Armazenamento de hidrogênio tetraborohidreto de sódio É uma das formas mais promissoras de armazenar hidrogênio, com especial foco em aplicações portáteis e móveis. O teraborohidreto de sódio ( ) é um sal branco e seco com alto teor de. Quando dissolvido em água torna-se um combustível liquido que pode ser transportado com facilidade e segurança. Para a extração do hidrogênio, utiliza-se um catalisador apropriado. [2]. Após as reações químicas, tem-se como produto o próprio e o bórax, o qual é um sal branco sólido.

58 58 Como informação, a Daimler Chrysler, tem testado esse combustível em veículos movidos a CaC e tem alcançado uma autonomia de. O resíduo é armazenado no veiculo até seu reabastecimento, onde então é destinado para a conversão do tetraborohidreto novamente. A grande desvantagem ainda desse sistema é que para converter o "bórax" em tetraborohidreto, o consumo de energia é relativamente alto. A reação química é seus subprodutos é mostrada equação química 3. (3) Distribuição Atualmente, o custo elevado dos componentes de uma CaC não é único desafio para que essa tecnologia desponte. Esse fator é algo extremamente relevante, porém, não é o único a ser enfrentado. Com grande parcela das sociedades atuais dependentes do petróleo, é fato que para se instalar novas fontes de energias, surgem grandes obstáculos. No caso das células a combustíveis, nas quais utilizam o para a geração de energia, um fator que deve ser muito bem analisado é o da distribuição desse combustível. Neste caso, um bom princípio seria a conscientização de autoridades e da própria sociedade que o é um combustível seguro, desde que sejam tomados os devidos cuidados. Em verdade, é assim que ocorre também com os demais combustíveis, os quais para serem transportados exigem inúmeros cuidados estabelecidos em normas. São inúmeras as possibilidades de distribuição do hidrogênio. Essas vão desde a distribuição de hidrogênio liquido ou gasoso por caminhões à produção local desse combustível. Dentro da possibilidade de distribuição por caminhões, existem opções de transporte de nos conhecidos tube trailers (trailers de cilindros), que consistem

59 59 em um conjunto de cilindros de alta pressão interligados em um canal de distribuição comum entre eles. Esses cilindros geralmente atingem a uma capacidade de de hidrogênio por cilindro, alcançando assim uma pressão de a. Após o transporte o processo segue normalmente como ocorrem outros combustíveis, como a gasolina e álcool. Essa opção é bastante interessante para postos que atendam uma grande quantidade de veículos que já utilizam o gás como combustível. Outra possibilidade que surge pelo transporte por caminhões, é a do hidrogênio ser distribuído em cilindros menores nos quais poderiam ser acondicionados em postos de fluxo reduzido de veículos movidos a. Ainda cita-se a possibilidade de transporte de em caminhões que possuam tanques criogênicos. Essa possibilidade torna-se viável devido a maior densidade de energia a ser transportada. Ou seja, no líquido tem-se mais energia (de 3 a 4 vezes) do que no hidrogênio comprimido em alta pressão. Atualmente utilizam-se tanques com capacidades de a de, ou seja, se comparados com os tube trailers, esses caminhões podem transportar 10 vezes mais hidrogênio no estado líquido. Com essa possibilidade, os postos poderiam transformar esse hidrogênio líquido em gás e armazená-los a alta pressão, usando deste para abastecer as bombas de combustíveis. Em meio às possibilidades de distribuir hidrogênio, outra opção que surge é a de gasodutos. Entretanto, não se torna viável por não se ter infraestrutura apropriada para tal e tão pouco pela existência mínima de gasodutos desse tipo, visto que os existentes são dedicados a refinarias de petróleo. Dessa maneira, o mais viável seria utilizar as redes de distribuição de gás natural, os quais já existem de forma bem mais estruturada. Uma opção mais atraente falando em termos de meio ambiente é produção local de hidrogênio por eletrólise que não envolve combustíveis fósseis. Os eletrolisadores tem recebido cada vez mais atenção devido a precisarem somente de

60 60 água e energia elétrica para produzir hidrogênio. Sendo essa energia elétrica vinda de painéis fotovoltaicos, energia eólica ou de hidrelétricas, a produção de hidrogênio se torna um processo limpo e sem emissão de poluentes. Além dessas vantagens ambientais, tem ainda a vantagem de eliminar o processo de transporte e armazenamento, pois não seria necessário o transporte de hidrogênio líquido ou gasoso, e muito menos armazenar esses dois tipos, visto que a produção de hidrogênio poderia ser de acordo com a demanda necessária. A produção local de hidrogênio a partir da reforma do gás natural ou biogás, também tem destaque e serve como uma opção para a produção desse combustível. Da mesma forma como ocorre com os eletrolisadores, esse processo apresenta a vantagem de eliminar o processo de transporte e armazenamento, sendo também que a produção de hidrogênio poderia ser feita somente sob demanda. Para fins de informativos, uma grande possibilidade se abre para o Brasil nessa opção. Esta se resume nos aterros sanitários, visto quando o lixo entra em decomposição, ocorre a produção do metano ( ), gás rico em hidrogênio. Seria interessante, instalar postos de hidrogênio nesses lixões para abastecer a frota de caminhões coletores, que por sua vez poderiam usar a tecnologia da CaC Química geral Como será tratado neste trabalho sobre as CaC, faz-se necessário a compreensão de alguns conceitos e definições de química, haja vista que o processo de geração de energia por CaC é um processo químico Matéria e seus conceitos fundamentais Matéria é algo que tem existência real, física; o material que as substâncias são feitas. [14]. Em outras palavras se define com sendo algo que tem massa e que ocupa espaço.

61 61 Com a simplicidade desse conceito, pode-se dizer que massa é a quantidade de matéria de uma substância, ou seja, qualquer substância seja ela gasosa líquida ou sólida, que exista na realidade possui uma determinada quantidade de matéria definida como massa. Tanto uma como a outra são constituídas pela matéria que lhes dá a propriedade de massa. Assim, a massa de uma substância ou objeto, determina outras três propriedades importantes desse mesmo objeto que é a inércia, peso e densidade. A inércia retrata a resistência de um determinado objeto a variação do seu estado de movimento. A primeira lei de Newton nos esclarece melhor esse conceito. Um objeto em repouso tende a permanecer em repouso e qualquer objeto em movimento tende a permanecer em movimento com velocidade constante e em direção constante. Peso refere-se à força de atração gravitacional entre um objeto e geralmente a terra. [14] Sendo assim, nota-se que o peso está diretamente relacionado com a aceleração da gravidade. Qualquer corpo que tenha matéria, e consequentemente massa, ao se relacionar com a aceleração gravitacional, obtém-se a força peso, que é descrita pela equação 4. (4) A outra propriedade que caracteriza a massa é a densidade que é definida como a massa de um objeto dividido pela unidade de seu volume. Em outras palavras, a densidade mede o grau de concentração de massa em um determinado volume. Essa densidade também é conhecida com densidade absoluta. Assim, a densidade é representada pela equação 5. (5) Abaixo está apresentada a tabela 4 de densidades de substâncias comuns, entre elas, a do hidrogênio.

62 62 Tabela 4 Densidade de substâncias comuns (, ). [14] SUBSTÂNCIA ESTADO DENSIDADE DENSIDADE Alumínio Sólido 2,70 2,7 x 10³ Madeira balsa Sólido 0,12 1,2 x 10² Cera de abelha Sólido 0,96 9,6 x 10² Cloro Gás 2,9 x ,9 Diamante Sólido 3,5 3,5 x 10³ Madeira de ébano Sólido 1,2 1,2 x 10³ Álcool etílico Líquido 0,789 7,89 x 10² Ouro Sólido 19,3 1,93 x 10 4 Chumbo Sólido 11,3 1,13 x 10 4 Mercúrio Líquido 13,6 1,36 x 10 4 Leite Líquido 1,03 1,03 x 10 3 Nitrogênio Gás 1,31 x ,31 Prata Sólido 10,5 1,05 x 10 4 Água Líquido 0,997 9,97 x 10 2 Zinco Sólido 7,1 7,1 x 10 3 Hidrogênio[*] Gás 8,99 x ,99 x 10-2 * Espécies de matéria A figura 22 representa classificação da matéria. Figura 22 Classificação da matéria. [14].

63 Formulações Uma molécula é composta por um aglomerado de átomos unidos por uma ligação atômica. Para que se possa identificar esses aglomerados, existem fórmulas pré-definidas, onde se pode visualizar a quantidade e o elemento que compõe essa determinada molécula Fórmula molecular Para representar uma molécula pode-se usar um símbolo para cada átomo no grupo e números subscritos, quando mais átomos do mesmo elemento estão presentes. Abaixo, na figura 23, são apresentadas algumas moléculas e suas fórmulas. Figura 23 Fórmulas moleculares de algumas substâncias. [14] Fórmula empírica Esse tipo de formulação sempre fornece os números relativos de átomos de diferentes elementos no composto. Ou seja, utiliza-se um elemento como referência e usa a razão entre os demais. Também chama-se essa formulação de fórmula mínima. Como exemplo, uma molécula de glicose consiste de átomos de carbono, átomos de hidrogênio e 6 átomos de oxigênio. Escreve-se da seguinte maneira, mas utilizando da fórmula empírica, obtém-se. [14] A tabela 5 apresenta algumas substâncias e a respectiva fórmula molecular e empírica.

64 64 Tabela 5 Fórmulas moleculares e empíricas. [14] SUBSTÂNCIA FÓRMULA MOLECULAR Água Amônia Dióxido de carbono Sacarose Oxigênio Enxofre Acetileno Benzeno Carbeto de silício --- Cloreto de sódio --- Cloreto de cálcio --- Nitrato de sódio --- FÓRMULA EMPÍRICA (MÍNIMA) Fórmula estrutural Para uma substância molecular, essa fórmula fornece algo além do número de átomos de cada elemento na molécula. Também fornece o tipo de ligações existentes entre os átomos. A figura 26 exemplifica algumas fórmulas estruturais. Figura 24 Fórmulas estruturais de algumas substâncias. [14]

65 Peso atômico e outras massas Na química, a propriedade de massa de um átomo é extremamente importante. Para expressar tal propriedade, emprega-se a unidade de (unidade de massa atômica). Utiliza-se essa unidade, pois a mesma sempre associa o valor da massa de um átomo com um número inteiro, sendo esse número um valor expressivo, ou seja, um número que não é extremamente pequeno. Em verdade, nada impede de se usar medidas mais conhecidas como grama, quilograma, etc. Entretanto, o resultado obtido será de valores insignificantes, ou seja, muito pequenos. Se tratando de moléculas, também se utiliza a unidade de. Porém, tomase o cuidado em somar o peso atômico de cada elemento que constitui a matéria. Como exemplo, os pesos atômicos do carbono e do hidrogênio são de e. Assim, o peso molecular do etileno, é ( ) ( ). [14] O mol Para fins de estudos em laboratório, se faz necessário trabalhar com números muito grandes de átomos. Para isso, foi criado o número de Avogadro, que tem o valor de. Em verdade, esse número foi criado para desse obter valores de em gramas de determinado elemento. [14]. Como exemplo, o peso atômico de oxigênio é. Ao reunir um grupo de 0, átomos, obtêm-se nessa composição, de oxigênio. A relação entre átomos e moles de átomos é perfeitamente geral, isto é, ela se aplica a todos os átomos. [14]. Em outras palavras, a razão de massas de de átomos de A para de átomos de B é a mesma que a razão de massa de um único elemento de A para um único elemento de massa de B.

66 Gases ideais Uma amostra do gás constituído de certo número de moles de moléculas há três grandezas mensuráveis, ou variáveis, que são matematicamente relacionadas entre si. [14] Volume Devido a um gás se expandir rapidamente e preencher um determinado recipiente, diz-se que o volume deste é exatamente a capacidade do recipiente em contê-lo. É dado em, visto que m é a unidade utilizada no S. I Pressão Pressão é definida como o efeito de uma força sendo aplicada sobre uma determinada área. Como força no S. I. é dada em, e área é dada em, tem-se como unidade fundamental o Pascal ( ). Entretanto, em química, as unidades mais usuais são a atmosfera padrão ( ) e o milímetro de mercúrio ( ). Uma atmosfera padrão, ou apenas atmosfera é a pressão exercida a por mercúrio líquido a uma distância de abaixo de uma superfície. Essa pressão é chamada de atmosfera devido a ser aproximadamente igual à pressão atmosférica ao nível do mar. [14] Temperatura Em química, as escalas de temperatura utilizadas são Celsius ( ), Kelvin ( ) e Fahrenheit ( ). A seguir, na figura 25, tem-se uma representação das escalas de temperaturas mais usuais.

67 67 Figura 25 Escalas de temperaturas. [14] Para se ter melhor entendimento do que se refere a temperatura, primeiramente tem-se que diferenciá-la de calor. Calor, ou energia calorifica é uma forma de energia em trânsito. Ou seja, é uma energia que é diretamente transferida de um objeto a outros. Essa energia não esta na forma de calor antes ou depois da transferência, somente durante a transferência. [14] Quando ocorre essa transferência de energia, ocorre também o aumento da energia total do corpo que a absorve. Isto ocorre de três maneiras. Pelo aumento de energia cinética das partículas dentro do objeto, pelo aumento de suas energias potenciais, ou pelo aumento de ambas. Nas reações químicas, várias quantidades de calor são liberadas ou absorvidas. A quantidade depende da reação e das quantidades das substâncias envolvidas. Uma reação que libera calor é chamada de exotérmica, e uma que absorve é chamada de endotérmica. Em relação à temperatura, esta é definida como sendo a medida da energia cinética média das partículas do objeto. Quando a energia calor é adicionada a um

68 68 objeto, suas partículas (átomos, moléculas, etc.) movem-se em média mais rapidamente e assim sua energia cinética média aumenta. [14] Em casos diferentes, quando adicionado calor a um determinado objeto e este não eleva sua temperatura, quer dizer então que a energia potencial está se elevando, o que resulta em uma mudança de estado Relação pressão x volume: Lei de Boyle Essa relação, estudada na metade do século XVII, descreve o comportamento de um volume ocupado por um gás quando sua pressão varia. Usando de aparelhos semelhantes ao mostrado na figura 26, Boyle e Mariotte verificaram que conforme a pressão sob o gás aumentava, seu volume reduzia. Os resultados de uma série de medidas de pressão x volume determinados com hidrogênio a temperatura ambiente estão resumidos abaixo na tabela 6. Figura 26 Aparelho da lei de Boyle. [14]

69 69 Tabela 6 Compressão do gás hidrogênio a. [14] MEDIDA PRESSÃO VOLUME PRESSÃO X VOLUME I II ,1 III ,7 IV ,5 V ,1 VI ,6 Duas coisas são visíveis nesse experimento. A primeira é que quando a pressão ( ) se eleva, o volume ( ) diminui. A segunda é que o produto da pressão e volume resulta em um valor constante ( ). Com isso, é possível afirmar pela equação 6 que: (6) Outra alternativa de escrever a equação 6 é: (7) Observa-se nesse caso que os experimentos foram a temperatura constante. Em medidas muito precisas indicam que o produto para o hidrogênio a não é absolutamente constante, ou seja, o hidrogênio não segue exatamente a lei de Boyle. Isso ocorre com outros gases também. Com isso, notou-se também que o maior desvio do comportamento da lei de Boyle se deu quando o gás estava submetido a baixas temperaturas e a altas pressões. [14]. Como na maioria dos gases se aproximam dessa lei, optou-se em adotar um gás ideal, ou um gás hipotético, que obedece exatamente a lei de Boyle a todas as temperaturas e pressões. Isso possibilita referenciar um gás real do ideal nas condições de quando a temperatura é elevada e a pressão reduzida.

70 Efeitos da temperatura: Leis de Charles Através de experimentos com gases de hidrogênio, oxigênio, dióxido de carbono e ar, Jacques Charles investigou a variação de volumes causados pela variação de temperatura. Este demonstrou que cada um desses gases se expande a mesma quantidade relativa quando aquecidos de a a pressão constante. Adiante, Joseph Gay Lussac ressaltou que para cada grau Celsius que se elevava a temperatura, o aumento do volume de cada gás era na proporção de 1/273, contando que a pressão fosse constante. Na figura 27, é apresentado um exemplo das possíveis amostras que Charles teria experimentado. Figura 27 Experimentos que deram origem a lei de Charles. [14] Sendo assim, pelo gráfico, pode-se descrever a lei de Charles pela equação 8: (8) Os gases reais tem comportamento típico em temperaturas mais altas e pressões mais baixas. Esses efeitos se assemelham ao caso da lei de Boyle. Sendo assim, a lei de Charles é um descritivo exato do comportamento de gases ideais. [14].

71 71 Em análise dos comportamentos dos gases reais, é possível verificar que quando estes são resfriado a pressão constante, seus volumes diminuem proporcionalmente. É possível verificar isso na figura 27. Porém, seria possível afirmar que no ponto zero absoluto um gás deixaria de existir, visto que seu volume também é zero. Entretanto, os gases não seguem exatamente a lei de Charles. Ao se aproximar da temperatura de condensação, a linha do gráfico começa a curvar-se, indicando que o gás não se comporta idealmente próximo a seu ponto de condensação. Assim, quando este se condensa já não se comporta como um gás e sim com líquido. Dessa maneira, pode-se afirmar que a lei de Charles não corresponde ao comportamento dos líquidos. Também se conclui que um gás nunca irá deixar de existir, visto que todos se condensam em temperaturas acima do zero absoluto Comportamento do gás ideal Princípio de Avogadro Quando os gases de hidrogênio e oxigênio reagem para formar água gasosa, existe uma relação simples entre os volumes dos reagentes e produtos, se estes forem todos medidos na mesma pressão e temperatura. [14] ocorre. Comparando com a equação balanceada, é possível ver que isso realmente ( ) ( ) (9) Essa relação é um exemplo da lei de Gay Lussac a qual estabelece: Quando medidos sob as mesmas condições de temperatura e pressão os volumes dos reagentes e produtos gasosos de uma reação estão em razões de números pequenos e inteiros.

72 72 Nota-se que a relação entre os volumes é exatamente igual à relação entre os números de moléculas das diferentes substâncias. Isso ocorre devido a volumes iguais de gases diferentes possuírem o mesmo número de molécula entre si, isto quando em temperaturas e pressões equivalentes. Na verdade este é o principio de Avogadro. Sendo assim, à pressão e temperaturas constantes, o volume de uma amostra de gás é proporcional ao número de moléculas da amostra. Além disso, desde que as moléculas possam ser contadas por, pode-se dizer que sob mesmas condições, como temperatura e pressão constante, o volume da amostra de gás é proporcional ao número de moles presentes. Sendo assim, tem-se na equação 10: (10) Então, a partir desses três princípios, a lei de Boyle, a lei de Charles e a de Avogadro, e agregando um principio a outro, obtém-se as equações 11 e 12, conhecidas como a equação de estado de um gás ideal: (11) Ou ainda: (12) O átomo Durante um longo período varias teorias sobre átomos foram discutidas e muitas delas com fundamentações que satisfatoriamente explicavam os aspectos do comportamento químico. A modelagem do átomo partiu de John Dalton, e transcorreu até o modelo do elétron planetário de Bohr. O modelo sugerido por Dalton estava baseado na proposição de que os átomos eram indivisíveis, imutáveis e aparentemente sem

73 73 estrutura. [14]. Entretanto, em estudos sobre eletrólise e em experiências com tubos de descarga de gases, foram mostrados que os átomos têm partes positivas e negativas. Os elétrons possuem uma relação de carga e massa dada pela equação 13: (13) Seguindo ainda por experimentos, Rutherford e seus colaboradores demonstraram que o átomo era constituído de um núcleo carregado positivamente e rodeado por elétrons carregados negativamente. Esse modelo é considerado correto atualmente. Esses mesmos pesquisadores conseguiram determinar a carga de um elétron como sendo de. Com isso pode-se então determinar a massa dessa partícula, as quais se tratando em carga e massa são semelhantes para quaisquer elementos. Sendo assim, a massa de um eletro é dada pela equação 14: [14] (14) Os átomos possuem núcleos que consistem em prótons e nêutrons com a exceção do. O número de prótons em seu núcleo é chamado de número atômico, e a soma do número de prótons e nêutrons é conhecida como a massa atômica. [14]. Salienta-se ainda que cada elemento é caraterizado por um número atômico específico, mas átomos diferentes de um dado elemento podem ter números diferentes de nêutrons, portando número de massa diferente. Nesses casos, esses átomos são chamados de isótopos. [14] Como citado anteriormente, Bohr utilizou o modelo de átomo de Rutherford definiu na modelagem do átomo que os elétrons em um átomo tinham energias e orbitas quantizadas. Embora atraente em muitos aspectos, essa definição

74 74 apresentou-se inadequada para esclarecer os espectros atômicos observados em outros átomos diferentes do de hidrogênio Eletricidade básica A natureza da eletricidade Matéria é algo que possui massa e ocupa lugar no espaço. Essa matéria é constituída por partículas muito pequenas chamadas de átomos. Toda matéria pode ser classificada em qualquer um desses grupos: Elementos ou compostos. Em um elemento, todos os átomos são iguais. Já em um composto, por exemplo, a água é formada por uma combinação de elementos, que no caso são o hidrogênio e oxigênio. [15] Já os átomos são constituídos de partículas subatômicas: elétrons, prótons e nêutrons, combinados de várias formas. O elétron é a carga negativa ( ) fundamental da eletricidade. Esses giram em torno do núcleo do átomo, em trajetórias de camadas concêntricas ou orbitais, como mostradas nas figuras 28 e 29. O próton é a carga positiva ( ) fundamental da eletricidade. Esse por sua vez é encontrado no núcleo do átomo. O nêutron é a carga neutra fundamental da eletricidade e também é encontrada no núcleo. Figura 28 Átomo de silício e sua estrutura. [15]

75 75 Figura 29 Átomo de hidrogênio e sua estrutura. [15] Em seu estado normal, um átomo de qualquer elemento contém o mesmo número de elétrons e prótons. Neste caso se diz que o átomo é eletricamente neutro, ou está em equilíbrio A carga elétrica e o Coulomb Na natureza, existem átomos que são capazes de ceder elétrons e outros capazes de receber elétrons. Com isso, é possível transferir elétrons de um corpo para outro. Sendo assim, quando essa transferência ocorrer, um corpo terá maior quantidade de elétrons ( ) e terá uma polaridade elétrica negativa. Já o outro terá maior quantidade de prótons ( ), possuindo então uma polaridade positiva. [15] Neste caso, pode-se enunciar a lei das cargas elétricas que diz: Cargas iguais se repelem, cargas opostas se atraem. A figura 30 apresenta esse conceito fundamental. Figura 30 Lei fundamental das cargas opostas. [15]

76 76 A quantidade de carga elétrica que um corpo possui é determinada pela diferença entre o número de prótons e o número de elétrons que o corpo contém. O símbolo que representa essa quantidade de carga elétrica de um corpo é, que é expresso numa unidade chamada Coulomb ( ). A carga de um Coulomb negativo,, significa que o corpo contém uma carga de mais elétrons do que prótons O campo eletrostático A característica fundamental de uma carga elétrica é a sua capacidade de exercer força. Essa força esta presente no campo eletrostático, visto na figura 31, que envolve cada corpo carregado. O campo elétrico é representado pelas linhas de força desenhas entre os dois corpos. Se um elétron for abandonado no ponto A nesse campo, ele será repelido pela carga negativa e será atraído pela carga positiva. Assim as duas cargas terão que deslocar o elétron na direção das linhas de força entre os dois corpos. As setas na figura indicam o movimento adquirido pelos elétrons se estivesse em posições diferentes do campo eletrostático. [15]. Figura 31 Campo eletrostático entre corpos com cargas opostas. [15] Diferença de potencial O campo eletrostático exerce uma determinada força sobre dois corpos com cargas diferentes. Em virtude dessa força no seu campo eletrostático, uma carga

77 77 elétrica é capaz de realizar trabalho ao deslocar outra carga por atração ou repulsão. A capacidade de uma carga realizar trabalho é chamada de potencial. Quando uma carga for diferente da outra, haverá uma diferença de potencial entre elas. [15] A soma da diferença de potencial de todas as cargas do campo eletrostático é conhecida com força eletromotriz ( ). A unidade fundamental dessa diferença de potencial é volt ( ), e é chamada de tensão A corrente A corrente elétrica é a denominação dada para a o fluxo de elétrons. Para se produzir essa corrente, deve-se produzir uma diferença de potencial. A corrente é representada pela letra. Sua unidade de medida fundamental é dada em Ampères ( ). (15) Fontes de eletricidade Dentre a diversidade de fontes possíveis de relatar, serão apresentados somente as que se relacionam com esse trabalho Bateria química A pilha química voltaica consiste numa combinação de materiais que são utilizados para converter energia química em energia elétrica. Uma bateria é constituída pela ligação de duas ou mais pilhas. Uma reação química produz cargas opostas em dois metais diferentes que servem como terminais negativo e positivo. Para essa reação ocorrer, esses metais devem estar em contanto com um eletrólito. [15]. A figura 32 representa uma pilha química voltaica.

78 78 Figura 32 Pilha química voltáica. [15] Pilhas solares Uma pilha solar ou células solares convertem energia luminosa diretamente em energia elétrica. São constituídas de material semicondutor como o silício e são utilizadas em grandes arranjos em naves espaciais para recarregar as bateiras. As pilhas solares são utilizadas também em aquecimento doméstico. [15] Padrões elétricos, símbolos e convenções. Na eletricidade, o sistema de unidades de medidas adotado é o do Sistema internacional (S.I.). A partir das sete unidades fundamentais mostradas na tabela 7, e das unidades suplementares mostrada na tabela 8 ocorre a derivação das demais unidades decorridas nos cálculos de eletricidade. Tabela 7 Unidades fundamentais do Sistema Métrico Internacional (S.I.). [15] GRANDEZA UNIDADE FUNDAMENTAL SÍMBOLO Comprimento metro m Massa quilograma kg Tempo Segundo s Corrente elétrica ampère A Temperatura termodinâmica kelvin K Intensidade luminosa candela Cd Quantidade de matéria mole Mol

79 79 Tabela 8 Unidades suplementares do Sistema Internacional. [15] GRANDEZA UNIDADE SÍMBOLO Ângulo plano radiano rad Ângulo sólido estereoradiano sr Salienta-se que as unidades de medidas usadas na eletricidade são em maioria as derivadas das unidades fundamentais e suplementares. Algumas dessas são mostradas na tabela 9. Tabela 9 Algumas unidades derivadas do S.I. [15] GRANDEZA UNIDADE FUNDAMENTAL SÍMBOLO Energia Joule J Força newton N Potência watt Wp Carga elétrica coulomb C Potencial elétrico volt V Resistência elétrica ohm Condutância elétrica siemens S Capacitância elétrica farady F Indutância elétrica henry H Freqüência hertz Hz Fluxo magnético weber Wb Densidade de fluxo magnético tesla T Na figura 33, são apresentadas algumas simbologias utilizadas na eletricidade. Ao lado de cada símbolo, encontra-se seu descritivo. Na sequência, disposto na tabela 10, encontra-se a identificação de alguns componentes utilizados em circuitos elétricos.

80 Figura 33 Alguns dos símbolos mais utilizados na eletricidade. [15] 80

81 81 Tabela 10 Componentes elétricos e suas identificações. [15] COMPONENTES Resistor Capacitor Indutor Retificador ou diodo Transformador Transistor Válvula Tomada LETRA DE IDENTIFICAÇÃO R C L D T Q V J Lei de Ohm e potência O circuito elétrico Em um circuito elétrico, como o mostrado na figura 34, existem pelo menos quatro partes fundamentais. Uma, condutores, uma resistência ( ) e instrumentos de controle, como uma chave interruptora. A é a bateria, os condutores são os fios que ligam varias partes do circuito e conduzem a corrente, o resistor é um aparelho qualquer que represente uma resistência a passagem da corrente e a chave é o dispositivo de controle. Figura 34 Partes de um circuito elétrico. [15] Para um circuito fechado, ou completo o percurso da corrente deve ser sem interrupções. Ou seja, a corrente sai da, passa pela carga e volta à fonte. Já um

82 82 circuito aberto, apresenta alguma interrupção que evita que a corrente complete seu percurso. A figura 35 apresenta um modelo de circuito fechado e um modelo de circuito aberto. Figura 35 Exemplo de circuito aberto (a) e circuito fechado (b). [15] Para fins de proteção nos circuitos elétricos, utiliza-se adicionar um fusível para que em caso de uma corrente elevada fluir no sistema esse venha a se romper abrindo o circuito e evitando que essa corrente chegue aos componentes seguintes do circuito. [15] Por ser um elemento que apresenta determinada resistência a passagem da corrente, o fusível é um dispositivo que limita a passagem de certa quantidade de corrente, e caso ocorra dessa corrente exceder esse limite, ele abre o circuito protegendo os outros equipamentos que estão na sequência Resistência A resistência é a oposição ao fluxo da corrente em um determinado material. Toda matéria, possui uma determinada resistência. Para aumentar a resistência em determinado circuito, adiciona-se resistores a este. Esses componentes apresentam um valor de resistência conhecido e bem determinado. [15] A unidade de medida que define a resistência é o ohm ( ), em homenagem ao formulador Georg Simon Ohm. Em síntese, resume-se ohm como sendo a

83 83 quantidade de resistência que determinado condutor ou matéria oferece a uma corrente de quando a tensão é de. Em relação aos resistores, esses são elementos comuns na maioria dos dispositivos elétricos e eletrônicos. Algumas aplicações frequentes dos resistores são: estabelecer o valor adequado da tensão do circuito, limitar a corrente e constituir-se numa carga. [15] Os resistores podem ser classificados da seguinte maneira: Resistores fixos: São os resistores do tipo de carbono e de fios enrolados, dos quais, se conhecido a resistência do carbono ou do material do fio enrolado e o seu comprimento, pode-se determinar a resistência total do resistor. Resistores variáveis: São componentes usados para variar a resistência de determinado circuito. Seu funcionamento é exemplificado pela figura 36. Figura 36 Funcionamento de um resistor variável. [15]

84 A lei de Ohm A lei de Ohm define a relação entre a corrente, a tensão e a resistência. Existem três relações que envolvem a resistência ao fluxo de elétrons. Essas são dadas pelo círculo da lei de Ohm, mostrado na figura 37. Figura 37 Círculo da lei de Ohm. [15] Para determinar uma dessas grandezas apresentadas, cobre-se com esta conforme monstra a figura 37, ficando visível apenas a relação existente entre as outras duas grandezas Potência elétrica A potência de um circuito elétrico é dada como sendo a corrente elétrica que passa por determinada parte deste, multiplicado pela tensão através dessa mesma região. Sendo assim, a potência é determinada pela equação 16. (16) Assim, a partir da equação 16, obtém-se a equação 17, 18, 19 e 20. (17) (18)

85 85 Outras possibilidades de conhecer a equação da potencia é possuindo o valor da tensão ou da corrente. (19) Ou: (20) Energia elétrica Na eletricidade, os usos dos termos como energia e trabalho são muito comuns. Entretanto, é importante salientar que se difere da potência, visto que esta leva em conta o tempo gasto para a realização do trabalho. Sendo o ( ) a unidade de potência, usado durante, pode ser descrito como trabalho de 1 Joule ( ), ou ainda, pode-se dizer que corresponde a. Da mesma maneira ocorre com o termo energia, outro termo usual nessa área é o de quilowatt-hora ( ), que expressa a grande quantidade de energia elétrica ou trabalho na unidade de tempo. Esse valor de energia é calculado fazendo o produto da potência em quilowatt pelo tempo em horas que essa potência foi utilizada Leis de Faraday Como visto na seção , uma das maneiras de produzir hidrogênio, se dá pelo processo chamado por eletrólise. Esse processo consiste em passar uma determinada quantidade de eletricidade por dois eletrodos submersos em uma solução fazendo com que essa mesma solução, se decomponha em outros elementos. No caso da eletrólise da água, os elementos resultantes são o e o, componentes formadores da mesma.

86 86 Essa quantidade de eletricidade referida foi tratada por Michael Faraday, o qual enunciou duas leis em relação a esse fenômeno. A primeira diz que, a quantidade de substância produzida pela eletrólise é proporcional a quantidade de eletricidade utilizada. A segunda lei retrata que para uma quantidade de eletricidade a quantidade de substância produzida é proporcional ao seu peso equivalente. [14] Como visto na seção de química geral, pode-se afirmar que um mol retém uma quantidade de eletricidade ao equivalente a um Faraday ( ), que por sua vez representa uma quantidade elevada de eletricidade. Quando se trata da quantidade de eletricidade, tem-se que tomar o cuidado de como se referir a esta, haja vista que uma quantidade elevada de eletricidade corresponde a 1 Faraday ( ), e uma menor quantidade corresponde a 1 Coulomb ( ). Em termos de valores, essa relação é estabelecida pela equação 21. (21) Assim, forma-se o conceito de corrente, visto na seção 2.4.5, pois quando é transportado por um condutor em um tempo de um segundo, trata-se também de uma corrente de. [14] 2.5. Termodinâmica básica Termodinâmica é o estudo da conversão de uma forma de energia para outra. Normalmente, os objetivos são para produzir calor ou para fazer o trabalho, a qual pode ser de forma elétrica ou mecânica. A fonte de energia é o combustível, que por sua vez retém toda a energia na forma de energia química. [1]. Dispositivos como as CaC e motores térmicos podem liberar energia por reações químicas, convertendo-a em eletricidade ou calor. A eletricidade produzida é utilizada em circuitos elétricos como formas de sinais, ou ainda pra simplesmente acionar motores elétricos. Já o calor, pode ser aplicado tanto para o aquecimento de determinada substância ou ainda na co-geração de energia, através do trabalho

87 87 mecânico. O pistão de um cilindro ou ainda a turbina de um avião, representa bem esse conceito. Para tais empregos, na ciência da termodinâmica, foram enunciadas algumas leis, as quais identificam a quantidade e a qualidade da energia à medida que ocorrem mudanças de estados dentro de um sistema de conversão de energia. A Primeira Lei declara que, apesar da possibilidade da energia conseguir mudar sua forma, a sua quantidade sempre será a mesma dentro de um sistema. A Segunda Lei, usando a propriedade entropia, estabelece a direção em que as reações podem seguir e ainda, estabelece o conceito de que a energia possui uma qualidade e um limite teórico de eficiência no processo de conversão energética. [1,16] Assim, esta seção revisa alguns dos princípios termodinâmicos relativos aos motores térmicos de maneira que estes sirvam como base para o estudo de células de combustíveis. Mesmo não seguindo o mesmo princípio dos motores térmicos, alguns conceitos termodinâmicos podem sim ser aproveitados para os cálculos de eficiência desses dispositivos de geração de energia A primeira lei da termodinâmica A primeira lei da termodinâmica trata da conservação da energia de um sistema. A energia não pode ser destruída e nem criada. Quando uma energia sob a forma de calor ou de trabalho passa pelas fronteiras do sistema, a energia total do sistema é afetada. A equação 22, expressa esse enunciado. (22) Onde: = Calor de entrada = Trabalho de saída = Diferencial de energia

88 88 Na equação 22, é possível notar o uso da convenção de sinais, pois quando a energia entra no sistema, esse se soma, logo recebe o sinal positivo, e quando sai do sistema, subtrai-se, o que resulta em sinal negativo. Nota-se que o calor ( ) é uma energia que entra no sistema, já o trabalho é uma forma de energia que está saindo do sistema, isso pelo fato de realizar alguma tarefa, portanto recebe o sinal negativo. O termo é a energia total do sistema. A alteração de calor ou de trabalho é expressa por uma diferencial inexata. Isto ocorre porque os valores são dependentes do caminho e por isso são chamadas funções que dependem do caminho. Já a energia é uma propriedade ou uma função de estado, que depende apenas dos estados inicial e final. [1]. Quando a equação 22 é integrada, a primeira lei torna-se: (23) Onde: = Calor que entra no sistema = Trabalho que sai do sistema = Toda energia do sistema Um sistema fechado (por exemplo, um pistão de um automóvel) recebe o nome de massa de controle. Esse tipo de sistema não envolve o fluxo de massa. A alteração na energia total é mostrada na equação 24 como a soma das mudanças da energia interna ( ), energia cinética ( ), e energia potencial ( ). [1] [16]. A Figura 38 mostra um pistão como um exemplo de uma massa controle. (24)

89 89 Figura 38 Cilindro exemplificando uma massa de controle. [1] Para um volume de controle (uma turbina a vapor, por exemplo), que é um sistema aberto e que envolve o fluxo de massa através de seus limites, um termo adicional é acrescentado à energia total. Este termo é o, onde é a pressão e é o volume do fluído. Esse produto reflete o trabalho realizado sobre um fluido que flui pelas fronteiras do sistema. A figura 39 mostra um volume de controle. A propriedade de entalpia,, definida na equação 25. Figura 39 Turbina exemplificando um volume de controle. [1] (25) Assim, para um volume de controle estacionário sob condições de fluxo constante (, propriedades constante com o tempo), a primeira lei é definida com sendo a variação de entalpia, variação esta mostrada na equação 26. (26)

90 90 Uma CaC pode ser representada por um volume de controle, como mostrado na figura 40, permitindo a utilização da equação 26 para a análise termodinâmica. Ao invés do trabalho estar sob a forma de expansão volumétrica como em um cilindro ou até mesmo como em rotação de um eixo, como numa turbina, o trabalho é realizado sob a forma de transporte de elétrons devido a uma diferença de potencial. Figura 40 CaC representada como um volume de controle. [1] A segunda lei da termodinâmica A segunda lei da termodinâmica define a propriedade entropia, que pode ser usado como uma medida da desordem num sistema. Um processo que não gera entropia é chamado um processo reversível. [17] O processo que não gera entropia é um processo ideal, e é definido como aquele que tendo ocorrido, pode ser invertido e depois de realizada esta inversão, não se notará algum vestígio no sistema e no meio. [16] Por consequência, se um processo reversível for analisado pela primeira lei, será visto que não há possibilidade de troca de calor ou de realização de trabalho no sistema ou imediações, visto que em qualquer sistema real, sempre ocorrerá a perda de calor, seja ele por fricção ou por transferência. Um processo irreversível, por outro lado, gera entropia devido a, por exemplo, a expansão não controlada, a perda de calor por fricção, ou a transferência de calor através de uma diferença de temperatura finita. Um processo que envolve a transferência de calor pode ser reversível, desde que o gradiente de temperatura que é transferida, seja algo na escala infinitesimal. [1]

91 91 A entropia baseia-se nesta transferência de calor reversível, e como é uma propriedade, é expressa como uma diferencial exata como monstra a equação 27. ( ) (27) A mudança de entropia depende somente do estado inicial e final do sistema como visto na forma integrada: ( ) (28) Para um processo que sofre transferência de calor reversível, temperatura constante, a entropia é expressa como:, a uma (29) Características elétricas das células de combustíveis Algumas das principais características elétricas das células a combustível, como eficiência e tensão de circuito aberto, podem ser encontradas a partir da primeira lei da termodinâmica, visto anteriormente Tensão em circuito aberto Nas células de combustíveis, a energia de entrada no sistema é representada pela energia química dos reagentes, que são o e o. Esta energia química apresenta-se sob o aspecto de energia livre de Gibbs, definida como energia disponível para realizar trabalho externo. No caso das células a combustível, o

92 92 trabalho externo envolve o movimento de elétrons através de um circuito elétrico. [10] Salienta-se que para se obter a equação de tensão em circuito aberto de uma CaC, não necessita-se aprofundar na definição de energia livre de Gibbs, visto que esse valor para tais elementos químicos já são tabelados. Durante operação básica de uma CaC, para cada molécula de hidrogênio utilizada, dois elétrons atravessam o circuito externo. Portanto, para um mol de hidrogênio consumido, elétrons são incumbidos de produzir trabalho útil. A variável representa o número de Avogadro, visto na seção Nesta, o número de Avogadro é definido como a quantidade de átomos existentes quando a massa atômica de um elemento é expressa em gramas. [10] Sendo a carga de apenas um elétron, a quantidade de carga que flui para o circuito pode ser estabelecida pela equação: (30) Na seção tem-se que a constante de Faraday representa a carga de um de elétrons. Essa carga equivale a. Assim, sendo a tensão de uma CaC, o trabalho elétrico realizado pela CaC para mover dois elétrons é dado pela seguinte equação. [10]. (31) Considerando um sistema ideal, ou seja, onde não há nenhum tipo de perdas, pode-se dizer que toda a energia proveniente da reação química (Energia Livre de Gibbs) converte-se em energia sob a forma de trabalho elétrico. (32)

93 93 Igualando as equações, encontra-se: (33) Isolando a tensão circuito aberto para uma CaC: se obtém a seguinte definição que estabelece a tensão de (34) Sob condições padrão de temperatura e pressão, ou seja, a e a, a energia livre disponível para realizar trabalho (Energia Livre de Gibbs) é igual a. [18]. Ao substituir este valor, juntamente com a constante de Faraday, na equação 35, obtém-se a tensão ideal de uma CaC que opere com hidrogênio puro: (35) Esse procedimento pode ser aproveitado para realizar experimentos com outros tipos de células. Nestes casos, a única diferença está no número de elétrons gerados no decorrer da reação química para cada molécula de combustível. Para tanto, basta apenas utilizar a equação 36. (36)

94 Eficiência As CaC não se enquadram nos limites de eficiência impostos pela teoria do Ciclo de Carnot. Entretanto, algumas definições utilizadas para traçar essa teoria, podem ser aplicadas para o cálculo de eficiência. Em síntese, toda máquina térmica tem seu rendimento comprometido devido a quantidade de calor liberado e que muitas vezes é perdido para um sumidouro. Nesse aspecto, uma CaC por usar materiais que participam das reações, também liberta certa quantidade de calor na queima dos reagentes. É com essa quantidade de calor liberada que se utiliza como parâmetro para medir a eficiência das células. Esta quantidade de calor dissipada pela célula recebe o nome de entalpia de formação ( ). Assim, a relação entre a energia elétrica produzida por de combustível e a entalpia de formação define a eficiência das células a combustível. Isso é possível constatar na equação 37. [10] (37) O sinal negativo que antecede a indica que a energia está saindo do sistema. Considerando novamente que toda energia elétrica produzida é proveniente de toda energia livre ( ), e sabendo que em condições normais de temperatura e pressão, a entalpia de formação na relação de hidrogênio e oxigênio é e a energia livre de Gibbs como visto anteriormente é de. Dessa forma, a seguinte definição para a eficiência ideal de uma CaC é dada por: (38)

95 95 Em todo processo de geração de energia, grandes diferenças são estabelecidas em termos de rendimentos quando se trata das não idealidades. Portanto, para viabilizar um cálculo prático, será abordado o rendimento de uma CaC em operação, realizando uma relação entre a tensão de operação e a tensão ideal. Para isso, algumas deduções são necessárias. Como visto na seção , a potência elétrica produzida é dada pela equação 16. Assim, essa potência elétrica produzida é a quantidade de energia produzida, o que equivale a energia livre de Gibbs. Dessa maneira, sabendo que tensão de operação é, tem-se: (39) Ao aplicar o valor de eficiência máxima ou eficiência ideal, (83%) presente na equação 38 e substituindo-o na equação 40, tem-se a entalpia de formação ideal, mostrada na equação 41. (40) Substituindo a equação 40 na equação 39, tem-se: (41) No caso ideal, a Energia Livre de Gibbs é igual à potência consumida (produto entre a tensão ideal e a corrente). [10] (42)

96 96 Substituindo o valor ideal de tensão V calculado na equação 35, se obtém a relação de eficiência [equação 43] de uma CaC dada em função da tensão de operação. [10] ( ) (43) Outra maneira de se calcular a eficiência real é dada pela relação entre a potência elétrica de saída e a alimentação de combustível. ( ) ( ) (44) Ou: (45) A energia de alimentação do combustível ( ), expresso em, é o produto da taxa de consumo de combustível ( ) e seu conteúdo de energia normalmente dado pela entalpia ( ) ou o poder calorifico superior ( ) do hidrogênio, o qual é mostrado na tabela 3. A taxa de consumo de ( ) na reação de formação da água é dada pela lei de Faraday como: (46) Para: ( ) ( ) (47) Onde:

97 97 Massa molar do Corrente Número de elétrons envolvidos Constante de Faraday Portanto, tem-se para alimentação de combustível ( ): (48) Ou ainda: (49) Para uma reação eletroquímica, a expressão ( ) da equação anterior, é chamada de potencial reversível ou termo neutro e tem valor de 1,482V. Este potencial corresponde a energia máxima possível (térmica e elétrica) obtida em uma CaC. [18] Combinando então as equações 46, 48, 49, tem-se a equação do rendimento em função da tensão de operação. (50)

98 98 3. MATERIAIS E MÉTODOS Nessa seção, serão apresentados os experimentos realizados a fim de tornar possível o cálculo de eficiência de uma CaC. Para o desenvolvimento desses experimentos, foram necessários alguns materiais descritos a seguir. Salienta-se, que a abordagem dos testes será embasada na teoria revisada no capítulo 2. Será adotada essa metodologia, pois conjuga dados teóricos e práticos resultando em valores possíveis de análise e discussão Materiais Célula a combustível A CaC mostrada na figura 41 e 42 refere-se a uma célula do tipo PEM, reversível, visto que combina a função eletrolisador e célula a combustível em um único dispositivo. Quando se aplica uma corrente elétrica, o dispositivo age como um eletrolisador, produzindo e a partir da água bi deionizada inserida no lado do cátodo (lado do ). Esses dois gases são armazenados separadamente em pequenos reservatórios. Nesses reservatórios, possuem uma escala volumétrica, possibilitando assim, a leitura do volume de gás produzido. Essa leitura é possível devido ao nível de água (utilizada pra vedar o gás dentro do reservatório) se movimentar em decorrência da produção ou do consumo dos gases. Para esta função, pode-se utilizar uma fonte de eletricidade proveniente de células solares fotovoltaicas, turbinas eólicas, pilhas ou alternadores. Neste caso, por apresentar valores conhecidos de tensão, serão adotadas pilhas alcalinas (duas pilhas de 1,5 V em série) como fonte.

99 99 Para que esse dispositivo trabalhe na função de CaC, basta substituir a fonte de tensão por uma carga resistiva, sendo a ligação dessa carga (caso tenha polaridade definida) feita com o terminal negativo no ânodo (lado de entrada do ), e positivo no cátodo (lado de entrada do ). Nessa função, ocorre o processo descrito na seção Esse dispositivo faz parte de um kit educacional mostrado na figura 41. É fornecido pela Horizon Fuel Cell Tecnology, empresa que desenvolve essa tecnologia tanto para fins didáticos como também para aplicações diversas citadas na seção Figura 41 Kit educacional adquirido da Horizon Fuel Cell Tecnology. (autor) Figura 42 CaC utilizada para os experimentos. (autor)

100 Dimensões da célula A célula utilizada nos testes práticos possui as seguintes dimensões. Altura: 54 mm; Largura: 54 mm; Espessura: 17 mm Função eletrolisador Sob condições ideais (de temperatura e pressão), a célula apresenta os seguintes dados: Tensão de entrada: (CC); Corrente de entrada: ; Taxa de produção de hidrogênio: ; Taxa de produção de oxigênio: 2, Função CaC O modelo da CaC possui o código FCSU-23, e apresenta os seguintes dados sob condições ideais: Tensão de saída: (CC); Corrente de saída: ; Potência de saída: Água bi deionizada Por se tratar de uma CaC do tipo PEM, com dupla função (eletrolisador e CaC) o uso de água faz-se necessário tanto para a produção de gás como também para umedecer a membrana trocadora de prótons. Entretanto, tem-se a necessidade de utilizar um tipo de água com elevado grau de pureza, a fim de não prejudicar a membrana e os eletrodos (com fixação de partículas e minerais contidos na água

101 101 comum). Neste caso, recomenda-se o uso de água deionizada, ou neste caso, água duplamente deionizada [figura 43]. Essa água possui um elevado grau de pureza devido ao processo de remoção total dos íons. Esse processo consiste na remoção de nitratos, cálcio e magnésio, além de cádmio, bário, chumbo e rádio. Essa remoção é realizada, passando a água por uma resina catiônica e aniônica. Figura 43 Recipiente contendo água bideionizada. (autor) Termômetro Nos testes a serem realizados, um termômetro será utilizado para se obter as temperaturas tanto do ambiente como do próprio gás. Dessa forma, segue abaixo, na figura 44, a representação do dispositivo utilizado. Figura 44 Termômetro Full Gauge com quatro sensores. (autor)

102 102 As especificações do instrumento seguem: Fabricante: Full Gauge; Modelo: TI-4s; Faixa de medições: -55 C a 150 C; Número de sensores: 4 sensores Placa de aquisição de dados A placa de aquisição de dados mostrada na figura 45 é um dispositivo fabricado e fornecido pela Mesuremet Computing. Seu modelo é o USB-128FS. Seu manual de especificações está disponibilizado no ANEXO I. Esta será ligada em uma porta USB de um notebook e servirá para transmitir dados a uma tabela, na qual serão realizados os cálculos pertinentes aos experimentos. Figura 45 Placa de aquisição de dados. (autor)

103 Multímetro O multímetro a ser utilizado para coletar dados está mostrado na figura 46. Figura 46 Multímetro utilizado nos experimentos. (autor) Sua especificação técnica segue: Fabricante: Politerm; Modelo: Pol-45; Visor: Cristal líquido (LCD), dígitos ( ) com de altura. Funções: Tensão contínua e alternada, corrente contínua e alternada, resistência, capacitância, frequência, temperatura, memória (HOLD), teste de continuidade, transistores e diodos. Polaridade: Automática. O sinal negativo ( ) será exibido automaticamente. Temperatura e umidade de armazenagem: De a, menos que de umidade (sem condensação). Alimentação: Uma bateria de ou equivalente. Duração útil da bateria: Aproximadamente bateria alcalina. de uso contínuo com

104 104 Taxa de amostragem do sinal: Três vezes por segundo. Dimensões:. Peso: (incluindo a bateria) Materiais diversos A seguir, na figura 47, estão dispostos os diversos materiais a serem empregados nos experimentos. São listados como sendo: Chaves de fenda; Pilhas; Ferro de solda estanho; Chave liga/desliga; Alicate; Máquina fotográfica Notebook; Placa protobord (Placa para protótipo de circuito eletrônico); Resistores de, ; Fios. Figura 47 Materiais diversos utilizados nos teste. (autor)

105 Experimentos do Eletrolisador O primeiro conjunto de experimentos trata-se da função eletrolisador. Esses têm como objetivos, verificar algumas propriedades da CaC, como estabilidade em fornecer parâmetros confiáveis, taxa de produção e eficiência do processo de produção dos gases Experimentos da Tensão x Tempo Nesta seção, serão realizados dois experimentos utilizando-se métodos e parâmetros semelhantes entre si. Isso se torna necessário, para que não se tenha apenas um resultado como base para discussão, o que deixaria margem para possíveis erros. Entende-se que dois ou mais resultados tornam os experimentos mais confiáveis. A realização desse experimento tem por finalidade conhecer o comportamento da tensão durante o processo de produção de gás e. Pretende-se também, verificar a taxa de produção de gás, para compará-lo com as especificações dadas na seção Para proceder com esses experimentos, utilizou-se dos seguintes itens: Eletrolisador (citado na seção 3.1.1); Placa de aquisição (citada na seção 3.1.4); Fonte (duas baterias de ligadas em série); Termômetro (citado na seção 3.1.3) Interruptor; Computador; Software TraceDaq (utilizado para coleta de dados). A montagem dos experimentos está sendo representado na figura 49. Este segue o projeto do circuito apresentado na figura 48.

106 106 Figura 48 Projeto de circuito para os experimentos da Tensão x Tempo. (autor) Figura 49 Circuito montado para os experimentos da Tensão x Tempo. (autor)

107 107 Com o circuito montado, procedeu-se com coleta de dados iniciais. Salienta-se que os dados dos dois experimentos estão dispostos na mesma tabela [tabela 11], como segue. Tabela 11 Experimento Tensão x Tempo Dados dos instantes iniciais. (autor) DESCRIÇÃO VALOR MEDIDO VALOR MEDIDO 1 EXPERIMENTO 2 EXPERIMENTO UNIDADE DE MEDIDA Água adicionada na célula 4 4 ml Tensão inicial da fonte 2,880 2,820 V Temperatura inicial da água 18,4 18,2 C Temperatura ambiente 18,9 18,5 C Quantidade de 0 0 ml Quantidade de 0 0 ml Tempo incial do experimento 0 0 s Após a realização dos experimentos, procedeu-se também com a coleta dos dados finais. Os dados de ambos os experimentos estão dispostos na tabela 12. Tabela 12 Experimento Tensão x Tempo Dados dos instantes finais. (autor) DESCRIÇÃO VALOR MEDIDO VALOR MEDIDO 1 EXPERIMENTO 2 EXPERIMENTO UNIDADE DE MEDIDA Hidrogênio produzido ml Oxigênio produzido 7 7 ml Tensão final da fonte 2,820 2,780 V Temperatura final da água 18,4 18,2 C Temperatura final do ambiente 18,9 18,4 C Tempo final do experimento s É possível notar na tabela 12, que o nível de e são iguais. Da mesma forma, pode-se constatar nas figuras 50 e 51, o nível de gás produzido. Observa-se ainda que o tempo da realização dos experimentos é igual para ambos.

108 108 [a] Figura 50 H 2 produzido 1 experimento [a]; 2 experimento [b]. (autor) [b] [a] Figura 51 O 2 produzido 1 experimento [a]; 2 experimento [b]. (autor) [b]

109 Tensão (V) Tensão (V) 109 Esses experimentos tem por finalidade, propiciar o entendimento de como se porta a tensão em relação ao tempo no processo de produção de gás. Para isso, na figura 52, estão dispostos os gráficos de ambos os experimentos, onde tem-se o comportamento dessa grandeza em função do tempo. Salienta-se que para adquirir esses dados, utilizou-se a placa de aquisição de dados descrita na seção Tensão x Tempo Tensão x Tempo 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, Tempo (s) 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, Tempo (s) [a] [b] Figura 52 Gráficos 1 experimento [a]; 2 experimento [b]. (autor) Salienta-se que para a realização do segundo experimento, foi estabelecido um intervalo de duas horas. Durante esse período, foram abertas as vias de entrada dos gases e montado um circuito fechado com um resistor de para que assim, houvesse a descarga total da membrana da CaC. Esse procedimento foi realizado com o intuito de aproximar ao máximo as condições em que o primeiro experimento foi realizado. Nota-se que para o mesmo período de coleta de dados, ocorreu uma produção de gás igual entre os experimentos. Com isso, pode-se representar analiticamente que a taxa de produção de gás dessa célula, nas condições apresentadas, é dada por uma regra de três simples, onde se encontra para o uma taxa de e para o uma taxa de.

110 110 Em relação ao volume, enfatiza-se o quesito precisão dos mesmos, pois ambos foram coletados visualmente, sem uma medição precisa. Pelos resultados obtidos, nota-se que a CaC é capaz de reproduzir valores semelhantes entre diversos experimentos realizados na sua função de eletrolisador. Diga-se semelhantes, desde que os experimentos atentem para as nas condições em que os experimentos foram realizados Experimento da Corrente x Tempo Nesta seção, serão realizados dois experimentos com a mesma finalidade, ou seja, para conhecer o comportamento da corrente durante um tempo indefinido. Diga-se tempo indefinido, pois o experimento decorrerá até o reservatório de gás ficar completamente preenchido. Serão realizados dois experimentos pela justificativa de se ter mais de um resultado, sendo dessa forma, possível a comparativa dos valores obtidos. Na figura 53 pode-se observar o projeto do circuito, e na figura 54 representase o circuito já montado para a realização dos experimentos. Figura 53 Projeto de circuito para os experimentos da Tensão x Tempo. (autor)

111 111 Figura 54 Circuito montado para os experimentos da Corrente x Tempo. (autor) Estando o circuito montado, realizou-se primeiramente a coleta dos dados iniciais para cada experimento. Observam-se esses valores na tabela 13. Tabela 13 Experimentos Corrente x Tempo Dados do instante inicial. (autor) DESCRIÇÃO VALOR MEDIDO VALOR MEDIDO UNIDADE DE 1 EXPERIMENTO 2 EXPERIMENTO MEDIDA Agua adicionada na célula 4 4 ml Tensão inicial da fonte 2,691 2,671 V Tensão inicial da célula 0,05 0,03 mv Quantidade de 0 0 ml Quantidade de 0 0 ml Tempo incial do experimento 0 0 s No instante final dos experimentos, realizou-se também a coleta dos dados. Esses seguem nas tabelas 14.

112 112 Tabela 14 Experimento Corrente x Tempo Dados dos instantes finais. (autor) DESCRIÇÃO VALOR MEDIDO VALOR MEDIDO 1 EXPERIMENTO 2 EXPERIMENTO UNIDADE DE MEDIDA Hidrogênio produzido ml Oxigênio produzido 7 7 ml Tensão final da fonte 2,617 2,583 V Tempo final do experimento s Nota-se que em ambos os experimentos, o volume de gás produzido é igual. Possibilita-se comparar esses níveis na figura 55 onde estão os reservatórios contendo o gás produzido em cada experimento. [a] Figura 55 H 2 produzido 1 experimento [a]; 2 experimento [b]. (autor) [b] A figura 56 apresenta os níveis de de cada experimento.

113 Corrente (ma) Corrente (ma) 113 [a] [b] Figura 56 O 2 produzido 1 experimento [a]; 2 experimento [b]. (autor) A finalidade desses experimentos é de entender o comportamento da corrente durante o processo de eletrólise da água. Para isso, apresentam-se na figura 57, os gráficos de cada experimento. Salienta-se que como não havia instrumentos para coletar os valores da corrente do circuito e passá-los para uma tabela em um computador (como a placa de aquisição que só coleta os valores de tensão), esses valores foram anotados manualmente, e repassado a uma tabela. Nota-se que o experimento decorreu durante 900 s. O intervalo de medições deu-se de 5 s em 5 s. Corrente x Tempo Corrente x Tempo Tempo (s) Tempo (s) [a] [b] Figura 57 Gráficos 1 experimento [a]; 2 experimento [b]. (autor)

114 114 Nota-se neste experimento que a taxa de produção de e caiu consideravelmente. Para entender o motivo pelo qual esse efeito ocorreu, seria necessária uma revisão bibliográfica mais aprofundada em eletricidade. Porém, observa-se que não é este o foco deste trabalho e sim, determinar a eficiência da CaC estudada Experimento da Potência fornecida para produzir H 2 e O 2 Com a finalidade de conhecer o rendimento da função eletrolisador desse dispositivo, apresenta-se nessa seção o experimento da potência fornecida para produzir e. Através dessa potência e da quantidade de gás armazenado, será calculado o rendimento do eletrolisador. A coleta de dados dar-se-á da seguinte forma. A tensão de entrada na CaC será coletada a cada segundo pela placa de aquisição. Já a corrente, será coletada visualmente a cada segundo, e anotada em uma tabela. Para tal procedimento, dispõe-se de uma filmadora, a qual gravará todos os valores a cada segundo. Esses dados serão coletados a partir do filme gerado. Para calcular a potência fornecida ao eletrolisador, será utilizada a equação 16. Com isso, obtém-se a potência pontual. Através dessa potencia pontual, serão integrados os valores em função do tempo para obter o valor da energia fornecida para a célula. Na figura 58 apresenta-se o projeto do circuito para a realização do experimento. Logo na sequência, na figura 59 tem-se o circuito montado. Figura 58 Projeto do circuito para o a potência na produção de H 2 e O 2. (autor)

115 115 Figura 59 Circuito montado para o primeiro experimento. (autor) Sendo assim, partiu-se para a coleta de dados iniciais, de onde foram retirados os valores apresentados na tabela 15. Esses dados representam as condições iniciais em que foi dado o inicio ao experimento. Tabela 15 Experimento da Potência fornecida - Dados do instante inicial. (autor) POTÊNCIA UTILIZADA PARA A PRODUÇÃO DE GÁS Descrição Valor medido Unidade de medida Água adicionada na célula 4 ml Tensão inicial da fonte 2,918 V Temperatura inicial da água 17,8 C Temperatura incial do ambiente 17,9 C Quantidade de H2 0 ml Quantidade de H2 0 ml Tempo inicial 0 s

116 116 Após o experimento, os dados finais foram coletados e transferidos para a tabela 16. Tabela 16 Experimento da Potência fornecida - Dados do instante inicial. (autor) POTÊNCIA UTILIZADA PARA A PRODUÇÃO DE GÁS Descrição Valor medido Unidade de medida Hidrogênio produzido 14 ml Oxigênio produzido 7 ml Tensão final da fonte 2,820 V Temperatura final da água 17,1 C Temperatura final do ambiente 17 C Tempo 755 s Salienta-se que o tempo do experimento mostrado na tabela 16, foi determinado pela quantidade de gás produzido, ou seja, no momento em que atingiu o nível máximo de 14 de gás hidrogênio, foi então dado fim ao experimento. Na figura 60 está representado o nível de gás e produzido neste experimento. [a] Figura 60 Potência fornecida Nível de H 2 [a]; Nível de O 2 [b]. (autor) [b]

117 117 Utilizando-se dos dados coletados em tabela e o software Microsoft Excel, foi calculada a potência no instante da medição. A coleta de dados foi feita no intervalo de 1 segundo. Entretanto, para não apresentar uma tabela muito extensa, os dados foram dispostos em um intervalo de 60 s em 60 s. Salienta-se ainda que o tempo apresentado na tabela 17 é apenas de, mas o experimento decorreu durante. Tabela 17 Potência fornecida a CaC - Resultados do experimento. (autor) TEMPO TENSÃO CORRENTE POTÊNCIA INSTANTÂNEA (S) (V) (A) (W) 0 0,00 0 0, ,58 0,1905 0, ,58 0,1861 0, ,58 0,1841 0, ,58 0,1827 0, ,58 0,1812 0, ,58 0,1798 0, ,59 0,1787 0, ,59 0,1772 0, ,59 0,176 0, ,59 0,1737 0, ,59 0,1722 0, ,59 0,172 0, ,59 0,1717 0, ,59 0,1715 0, ,59 0,1713 0, ,59 0,1713 0, ,59 0,1711 0, ,59 0,1709 0, ,59 0,1708 0,271 Através desses dados, foi então possível traçar o gráfico da tensão, corrente e da potência, apresentando assim o comportamento de cada uma dessas grandezas no decorrer do tempo. A figura 61 mostra esse gráfico.

118 Tensão (V) / Corrente (A) / Potência (W) 118 (Tensão; Corrente; Potência) x Tempo 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 Tensão Corrente Potência 0,20 0, Tempo (s) Figura 61 Gráfico das Grandezas x Tempo. (autor) A partir desse gráfico, foram integrados os valores da potência em função do tempo, o que resultou na energia utilizada para a produção de gás (energia de entrada no sistema). Essa integral [equação 51] foi realizada na mesma planilha onde os dados foram coletados. Através de equações montadas na planilha do Microsoft Excel, possibilitou-se calcular a área de cada intervalo de 1s em 1s e por fim somá-los para obter o valor da energia total fornecida a para célula. Dessa forma, têm-se: (51) Obteve-se (52) Assim, tornando conhecida a energia fornecida ao eletrolisador, partiu-se para o cálculo da energia armazenada, que é dada pelo poder calorífico superior do armazenado.

119 119 Os seguintes dados apresentados a seguir, são alguns valores obtidos no experimento realizado e outros de tabelas referenciadas neste documento. (tabela 3) (tabela 20) ( ) [16] Utilizando a equação 12, pode-se calcular a massa de gás armazenada no volume de. Sabendo que representa o número de mols de contida em um determinado volume, e que: (53) Onde: = Massa de que se necessita saber; = Massa molecular do ; Obtém-se a equação 54: (54) Isolando o termo que representa a massa que se necessita saber, tem-se: (55) Já a massa molecular é dada pela soma das massas atômicas dos átomos que compõe determinada molécula. Para o caso do, esse valor é encontrado na tabela 4.

120 120 A representação da molécula do gás hidrogênio é dada como, o que representa que possui um valor multiplicador igual a 2. Sendo assim, torna-se possível calcular a massa molecular do gás. (56) (57) Adicionando então os valores na equação 55, é obtida a massa de em. ( ) ( ) ( ) ( ) contido (58) (59) Sabendo então que l de possuem de massa, torna-se possível relacionar esse dado com o seu volume armazenado. Dessa maneira, tem-se: para se obter a energia contida nesse (60) (61) (62) sendo: Assim, é possível descrever o rendimento da função de eletrolisador como

121 121 (63) (64) (65) 3.3. Experimento da função Célula a Combustível Foram realizados até então, alguns experimentos referentes a produção de gás através da função eletrolisador. Em verdade, esses experimentos servem tanto como fonte de dados, como também de base comparativa para o experimento a ser realizado nesta seção. Neste capítulo, será visto a função da CaC propriamente dita, ou seja, será utilizado o gás produzido para gerar energia elétrica e realizar trabalho. Nesse processo, o comportamento da tensão e o consumo de decorrer do tempo. serão acompanhados no Experimento da CaC Este experimento tem por finalidade apresentar as características da função da célula a combustível e tornar possível o cálculo de eficiência do dispositivo estudado. Para tal, serão utilizados praticamente os mesmos materiais mostrados nos experimentos da seção 3.1. Os itens que se diferenciam nesse experimento, são um resistor, cujo valor é de, um mini motor elétrico, o qual não se tem conhecimento de seus parâmetros, uma placa protoboard, mencionada na seção Nesta será montada um pequeno circuito para que se torne possível a realização dos cálculos de potência. O método para o cálculo da eficiência consiste no consumo total do, o qual em armazena uma energia de. Utilizando-se dos cálculos a serem

122 122 realizados, será obtida a energia produzida pela CaC. Relacionando esses dois valores, resultará na sua eficiência. Para o início do experimento, foi realizado o projeto do circuito elétrico [figura 62], com suas devidas ligações. Na sequência [figura 63], está representado o circuito montado. Figura 62 Projeto do circuito elétrico para o experimento da função CaC. (autor) Figura 63 Circuito montado para estudo da função CaC. (autor)