TECNOLOGIAS DE MICRO-GERAÇÃO E SISTEMAS PERIFÉRICOS. 2 Pilhas de combustível

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1 2 Pilhs de combustível 18

2 2.1 Descrição d tecnologi As céluls de combustível são equipmentos estáticos que convertem energi químic contid no combustível directmente em energi eléctric. O princípio de funcionmento de um célul de combustível é semelhnte o de um bteri. É compost por um ânodo e um cátodo porosos, cd um revestido num dos ldos por um cmd ctlisdor de pltin, e seprdos por um electrólito. Combustível Combustível do Ctlisdor Electrólito Ctlisdor do Ar Figur 2.1 Princípio de funcionmento de um célul de combustível (Fonte: Toshib Website) O ânodo é limentdo pelo combustível, enqunto que o cátodo é limentdo pelo oxidnte. No cso mis simples em que o combustível é hidrogénio moleculr s recções electroquímics que ocorrem são s seguintes: Ânodo: H 2 2H + + 2e - Cátodo: O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O Os electrões libertdos pel seprção ds moléculs de hidrogénio no ânodo são cptdos pel plc de pltin e conduzidos trvés de um circuito té o cátodo, originndo um corrente eléctric contínu. Os iões (neste cso protões) são trnsferidos pr o cátodo trvés do electrólito, onde se ssocim às moléculs de oxigénio formndo moléculs de águ. Assim, no cso de um célul de combustível PEFC o produto d recção globl é pens águ. Recção globl: 2H 2 + O 2 2H 2 O O rendimento é superior o que se obtém no cso dos motores de combustão intern. Neste segundo cso energi químic contid no combustível sofre um série de conversões té tingir form de energi eléctric (químic térmic mecânic eléctric), resultndo em sucessivs perds de energi. Num célul de combustível, durnte o processo de conversão d energi químic do combustível em energi eléctric, libert-se clor, o que implic que um prte d energi químic não é convertid em electricidde e portnto o processo não tem um rendimento de 100%. Em sistems de cogerção, o clor libertdo pode ser proveitdo, o que fz umentr o rendimento globl. Ar 19

3 O rendimento de um pilh de combustível vri de form invers à potênci devido perds por efeito de Ohm e de polrizção. Figur 2.2 Vrição d potênci com diferenç de potencil num pilh de combustível (fonte: website d AMERLIS - Agênci Municipl de Energi de Lisbo ) De form obter potêncis mis elevds podem ssocir-se váris céluls de combustível em série, resultndo num denomind pilh de combustível (fuel cell stck). Figur 2.3 Célul de combustível (à esquerd) e pilh de combustível (à direit) (fonte: PlugPower website) O electrólito pode ser um meio líquido ou sólido e tem grnde influênci no desenho e tempertur de funcionmento d pilh de combustível. O tipo de electrólito determin: A nturez e purez do combustível e do oxidnte A tempertur de funcionmento d pilh de combustível O desenho d pilh de combustível Hoje em di são conhecidos 5 tipos diferentes de pilhs de combustível: AFC Alkline Fuel Cell PEFC / PEM Polymer Electrolyte Fuel Cell / Proton Exchnge Membrne PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell MCFC Molten Crbonte Fuel Cell SOFC Solid Oxid Fuel Cell O qudro 2.1 resume s crcterístics dos diferentes tipos de pilhs de combustível. 20

4 Qudro 2.1 Tipos de pilhs de combustível Tipo de fuel cell Electrólito Combustível Oxidnte Ião Cond. Tempertur de funcionmento [ C] [% PCI] Dimensão típic AFC KOH (hidróxido de potássio) H 2 puro Ar + H 2O (s/co 2) OH < 7 kw PEFC / PEM Membrn de polímero H 2 puro Ar (s/co) H kw PAFC Ácido fosfórico H 2 Ar (s/co) H kw MCFC Litium, potássio, crbonto fundido CH 4, H 2, CO Ar + CO 2 CO MW SOFC Óxidos de Yttri e Zircónio CH 4, H 2, CO Ar O Fonte: Opportunities for Micropower nd Fuel Cell / Gs Turbine Hybrid Systems in Industril Applictions, Arthur D. Little Inc. e SULZER HEXIS website. Tubulr: kw Plnr: kw As pilhs de combustível dos tipos PEFC e PAFC grupm-se n ctegori de bix tempertur de funcionmento, enqunto que s pilhs de combustível MCFC e SOFC pertencem à ctegori de lt tempertur de funcionmento. O princípio de funcionmento é semelhnte pr todos os tipos de pilhs de combustível. As pilhs de combustível do tipo AFC form desenvolvids no âmbito d investigção espcil incluindo s missões Apollo e o Spce Shuttle. O elevdo custo de produção tem sido o fctor responsável por um trso no desenvolvimento de deste tipo de pilhs de combustível, qundo comprdo com o desenvolvimento ds PEFC ou PAFC. As pilhs de combustível de bix tempertur de funcionmento requerem um processmento do combustível mis complexo pois só podem funcionr com hidrogénio moleculr puro. Como tl, neste tipo de pilh de combustível é necessário equipmento uxilir (reformdor) pr converter o combustível primário (gás nturl, metnol, gsolin,...) em hidrogénio. Um sistem de produção de electricidde bsedo em pilhs de combustível necessit de equipmento uxilir que pode incluir componentes tis como: Compressor ou ventildor pr fornecer o r o cátodo Reformdor Circuito de refrigerção Seprdor pr remoção d águ obtid nos produtos d recção Bomb pr recirculção do gses rejeitdos pelo ânodo Controldor do sistem Dispositivos de controlo de CO Sistem de rmzengem e limentção do combustível 21

5 Figur 2.4 Esquem simplificdo de um sistem de produção de electricidde bsedo em pilhs de combustível do tipo PEFC (fonte: website d AMERLIS (dptdo)) O reformdor é o componente que tem como função converter os hidrocrbonetos em misturs de hidrogénio e dióxido de crbono. Existem vários métodos de efectur conversão, sendo os principis: Conversão por vpor de águ Conversão por oxidção prcil No cso d conversão por vpor de águ os hidrocrbonetos e águ regem formndo um mistur gsos de H 2, CO 2 e CO, num processo que necessit de clor pr ocorrer, ou sej, trvés de um recção endotérmic. O clor necessário pode ser fornecido pel própri pilh de combustível. Figur 2.5 Reformdor de vpor de águ No processo de oxidção prcil é utilizdo r em vez de vpor de águ. Consequentemente o gás resultnte contém um quntidde considerável de zoto. Neste cso recção é exotérmic. A combinção dos dois processos é designd por "reform utotérmic" um vez que, teoricmente, não produz nem requer o fornecimento de energi térmic pr ocorrer. Os dispositivos de controlo do CO têm um ppel importnte grntindo que certos tipos de pilhs de combustível funcionem correctmente. Um vez que o CO é um inibidor d pltin que constitui o ctlisdor ds PEFC, é necessário reduzir su concentrção pr níveis d ordem de ppm. As pilhs de combustível de lt tempertur de funcionmento permitem converter directmente energi químic do hidrogénio e do CO em electricidde, pelo que não 22

6 necessitm de equipmento uxilir tão complexo. No entnto, est ctegori de pilhs de combustível é mis exigente no que respeit às crcterístics dos mteriis utilizdos no seu fbrico. Ns pilhs de combustível do tipo MCFC o ião conduzido trvés do electrólito é o CO 3 2- pelo que é necessário fornecer CO 2 o cátodo. Este tipo de pilhs de combustível é mis tolernte no que respeit combustíveis utilizáveis Ns pilhs de combustível do tipo SOFC o ião conduzido no electrólito é O 2-, pelo que tmbém existe um grnde liberdde de escolh em relção à espécie químic ser oxidd. Tnto s pilhs de combustível MCFC como s SOFC podem funcionr com hidrogénio de lt purez ms não são desenvolvids com esse intuito já que este combustível é cro de produzir e difícil de mnejr. Ar Cátodo Electrólito Circuito Ânodo Gás Nturl Figur 2.6 Princípio de funcionmento de um pilh de combustível tipo SOFC (fonte: SULZER HEXIS website) Outr vntgem deste tipo de pilh de combustível é o fcto de o clor ser produzido um nível de tempertur elevdo, podendo ser utilizdo directmente pelo reformdor pr o prévio trtmento do combustível ou noutrs plicções como, por exemplo, num chiller de bsorção de um sistem de r condiciondo. Existem vários tipos de construção de pilhs de combustível como se pode verificr ns figurs 2.7 e 2.8. Figur 2.7 PEFC em plcs (fonte: PlugPower website) 23

7 Figur 2.8 SOFC plnr (fonte: SULZER HEXIS website) e tubulr (fonte: NETL/DOE website) O qudro 2.2 crcteriz s vertentes de desenvolvimento n tecnologi ds fuel cells. Qudro 2.2 Vertentes no desenvolvimento d tecnologi ds pilhs de combustível Tecnologis plicáveis Dimensão típic Pilhs de combustível de bix tempertur AFC PAFC PEFC / PEM Os produtos disponíveis no mercdo e em desenvolvimento têm potêncis té 250kW MCFC SOFC Pilhs de combustível de lt tempertur A miori dos equipmentos em desenvolvimento têm potêncis n ordem de 2 MW, ms existem plnos pr desenvolver uniddes com menos de 1 MW Vntgens elevdo Emissões reduzids Arrnque rápido (especilmente s PEMFC) Potencil pr redução significtiv do custo resultnte de produção em lrg escl se for lcnçdo sucesso n áre dos trnsportes muito elevdo Emissões reduzids Processmento de combustível mis simples Não existe necessidde de utilizr ctlisdores de metis preciosos Não são dnificds pelo CO Potêncis mis elevds Desvntgens Potencil de cogerção limitdo Processmento de combustível reltivmente complexo Mis sensível o CO Requer ctlisdores de metis preciosos Custo elevdo (PAFC) Mercdo limitdo inicilmente à produção de electricidde (o que reduz o potencil pr redução do custo) Complexidde dos sistems híbridos Fonte: Opportunities for Micropower nd Fuel Cell / Gs Turbine Hybrid Systems in Industril Applictions, Arthur D. Little Inc. 24

8 2.1.1 Pilhs de combustível regenertivs Conceptulmente um pilh de combustível regenertiv situ-se lgures entre um pilh de combustível e um bteri. O sistem é bsedo num nov tecnologi de rmzenmento e fornecimento de energi. Embor não sejm proprimente equipmentos pr produção de energi eléctric, decidiu-se presentr um muito breve referênci este tipo de equipmentos devido o interesse que poderão vir ter como suplemento os sistems de micro-gerção. As pilhs de combustível regenertivs rmzenm ou fornecem energi eléctric trvés de um recção electroquímic reversível entre dois electrólitos (neste cso sis) que se encontrm n fse líquid. A recção ocorre no interior de um célul electroquímic que contém comprtimentos, um pr cd electrólito, seprdos fisicmente por um membrn de permut de iões. Vários pres de electrólitos podem ser utilizdos. Depósito de electrólito Membrn selectiv Depósito de electrólito Electrólito Electrólito Bomb Bomb Figur 2.9 Esquem de funcionmento de um célul de combustível regenertiv (fonte: Regenesys) À semelhnç do que contece com s pilhs de combustível trdicionis, tmbém neste cso se podem empilhr váris céluls de form crir pilhs de combustível com potêncis muito vrids. Síd dos electrólitos terminl bipolr Membrn terminl bipolr Membrn Entrd dos electrólitos Figur 2.10 Esquem de um pilh de combustível regenertiv (fonte: Regenesys) A cpcidde de rmzenmento de energi é pens limitd pel dimensão e quntidde de depósitos de electrólitos instldos. Um utilizdor com picos de consumo diários de curt durção pode optr por um instlção de potênci elevd com 2 ou 4 hors de rmzenmento. Pelo contrário, por exemplo, um empres de distribuição servindo um grnde centro comercil pode optr por um cpcidde de rmzenmento de 12 ou mis hors de form poder stisfzer s necessiddes de um sistem de r condiciondo no Verão. 25

9 2.2 Fbricntes e produtos As tbels seguintes resumem os produtos que presentemente se encontrm ser desenvolvidos ou comercilizdos pelos fbricntes de pilhs de combustível. Qudro 2.3 Pilhs de combustível AFC Fbricnte / Aplicção Combustível Potên ci Eléctri c Potênc i Térmic cogerção ZeTek (ZeGen) Hidrogénio Informção não disponível Qudro 2.4 Pilhs de combustível PEFC / PEM Fbricnte / Aplicção Combustível AlliedSignl (AiReserch) Potên ci Eléctri c Potênc i Térmic cogerção Bllrd Power Systems Dis-Anlytic Energy Prtners Residencil Gás nturl ; 1 10 propno; Industril; Serviços hidrogénio; biogás 250 Residencil Gás nturl ; propno Residencil 3 Comercil ElectroChem 50 ; 200 H-Power Residencil Gás nturl ; Propno Hydrogenics < Id Tech Metnol, gás nturl, propno, diesel, kerosen 3 IFC - ONSI Residencil; Serviços Gás nturl ; Propno 5-10 Mtsushit Nuver / Residencil De Nor Serviços 8-60 Plug Power / GE Residencil Gás nturl 7 29 (sistem) 80 Toshib Residencil; Serviços Gás nturl; Propno > 80 Informção não disponível 26

10 Qudro 2.5 Pilhs de combustível PAFC Fbricnte / Aplicção Combustível Fuel Cell Corportion of Americ CCL (IFC ONSI / Ansldo) Informção não disponível Potên ci Eléctri c Potênc i Térmic cogerção Indústri; Serviços; Residencil Gás nturl 200 > 40 Hidrogénio Fbricnte / Aplicção Combustível FuelCell Energy Indústri; Serviços; Residencil 223 entre 37 e 81ºC Qudro 2.6 Pilhs de combustível MCFC Potênci Eléctric (140ºC) Potênc i Térmic 85 cogerção 70 IFC ONSI M-C Power MTU Cogerção Industril Gás nturl Biogás Informção não disponível Qudro 2.7 Pilhs de combustível SOFC Fbricnte / Aplicção Combustível AlliedSignl (AiReserch) Potênci Eléctric Potênc i Térmic cogerção CFCL Indústri ; Residencil Globl Thermoelectric Indústri ; Residencil Gás nturl ; propno Siemens Westinghouse Indústri Gás nturl >80 Sulzer Hexis Residencil Gás nturl 1 -? ? 90 Informção não disponível 27

11 Qudro 2.8 Pilhs de combustível regenertivs Fbricnte Aplicção Potênci Eléctric Electrólitos usdos Regenesys MW Sodium bromide ; Sodium polysulphyde Armzenmento de energi Cellennium (de wtts megwtts...) Vndium Slt Qudro 2.9 Exemplos de plicções Fbricnte / AlliedSignl (AiReserch) Bllrd Power Systems CFCL Descrição Sistem de 250 kw num estção de quecimento em Berlim; Dis-Anlytic Energy Prtners Vários protótipos testdos em veículos utomóveis e em plicções estcionáris. ElectroChem Fuel Cell Corportion of Americ Fornece equipmentos pr dezens de empress e orgnizções ligds o desenvolvimento ds pilhs de combustível Fuel Cell Energy Váris instlções experimentis com potêncis entre 300 kw e 3 MW. Globl Thermoelectric H-Power Hydrogenics Váris instlções de teste com um unidde de 1.35 kw desenvolvid pr o sector residencil. Sistem PEFC de 10kW, propno, n sede d Delt-Monrose Electric Assocition (EUA); Id Tech IFC - ONSI Cerc de 200 sistems de 200kW instldos em todo o mundo. Mtsushit M-C Power MTU Nuver Fuel Cells Plug Power / GE Siemens Westinghouse Sulzer Hexis Toshib / ONSI Sistem HomeGen 7000 (PEFC) de 7 kw já disponível pr o sector residencil no mercdo norte-mericno. Sistem SOFC de 250 kw n Norske Shell (Norueg) Diverss instlções piloto em prceri com váris entiddes / orgnizções: Dortmunder Energie und Wsserversorgung GmbH (Alemnh), Winterthur (Suíç), Office for Environment nd Energy (Suíç), EWE AG (Alemnh), Thyssengs GmbH (Alemnh), Tokyo Gs Co. Ltd. (Jpão), Gs de Euskdi, S.A. (Espnh). ZeTek (ZeGen) Alimentção de estções remots de retrnsmissão (telecomunicções) Informção não disponível 28