Geração de Potência e Propulsão Aeroespacial com Células de Combustível

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1 III WORKSHOP PROSUL GERAÇÃO DE POTÊNCIA DISTRIBUÍDA E ENERGIA AUTO- SUSTENTÁVEL Geração de Potência e Propulsão Aeroespacial com Células de Combustível Dr. José Eduardo Ferreira da Costa Gardolinski APRESENTAÇÃO Células de Combustível Projeto AFOSR Resultados Experimentais 1

2 CÉLULA DE COMBUSTÍVEL Dispositivo que gera corrente elétrica a partir da reação eletroquímica do hidrogênio com o oxigênio, formando água e rejeitando calor. TIPOS BÁSICOS: Ballard Energy How a Fuel Cell works 2

3 ECONOMIA DO HIDROGÊNIO Geração de potência com o uso de células de combustível já é uma realidade tecnológica. Diferentes tipos e construções de células (pilhas) possibilitam o uso nas mais diferentes situações, ambientes e necessidades. Alguns obstáculos ainda devem se vencidos: vida útil, catalisadores e envenenamentos. Custo é meramente ditado pelos investimentos, produção e concorrência. 3

4 Projeto: Modeling and optimization of renewable and hybrid fuel cell systems for space power and propulsion Financiado pelo: Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) Latin America Initiative Coordenador: Prof. José Viriato Coelho Vargas, PhD (DEMEC-UFPR) Parceria com: PUC-RJ/FSU Duração: 3 anos ( ) Sistemas Regenerativos Energia Solar PAINEL FOTOVOLTAICO Energia elétrica ELETROLISADOR ARMAZENAMENTO DE OXIGÊNIO O O 2 2 Energia PILHA Elétrica H 2 H 2 ARMAZENAMENTO DE HIDROGÊNIO Água 4

5 Tipos de sistemas regenerativos quanto á reversibilidade dos componentes: Sistemas Dedicados: Eletrolisador e Pilha são unidades distintas. Sistemas Reversíveis: Eletrolisador e Pilha em um componente só, que funciona nos dois sentidos. Performance X Complexidade OBJETIVOS DO PROJETO: Modelagem e otimização de sistemas de células de combustível de hidrogênio: Otimização da estrutura de células de combustível de óxido sólido para obter máxima densidade de energia. Sistemas regenerativos. 5

6 INSERÇÃO NO CONTEXTO AEROESPACIAL: Sistemas regenerativos: não há necessidade de fornecimento de combustível, apenas de energia solar, amplamente disponível. Não há necessidade de elevada potência, caso considere-se uso espacial. Baixo nível de ruído, por ausência de partes mecânicas móveis: Já em uso no Submarino movido à células de combustível (alemão) que é virtualmente indetectável. 1º vôo experimental do primeiro protótipo à jato movido por células de combustível Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt Potência da pilha: 1 kw Velocidade de vôo: 200 km/h Massa total do protótipo: 3 kg 6

7 Interação com a empresa NILKO: Fabricante de gabinetes para telefonia celular. Desenvolvimento de gabinetes auto-sustentáveis, utilizando painéis fotovoltaicos e/ou células de combustível. RESULTADOS EXPERIMENTAIS: Modelagem e otimização de célula de combustível de óxido sólido. ORDONEZ, J. C. ; CHEN, S. ; VARGAS, J. V. C. ; DIAS, F. ; GARDOLINSKI,J.E.F.C. ; VLASSOV, D.. Constructal Flow Structure for a Single SOFC. International Journal of Energy Research, v. --, p. --, 2007 (advance online print) 7

8 Desenvolvimento de nova filosofia construtal para célula de combustível alcalina Células alcalinas, apesar de serem as mais antigas (uso no programa espacial americano, Apollo, Gemini), ainda são as que possuem melhor rendimento elétrico. Contudo, possuem uma grande desvantagem: são facilmente envenenadas irreversivelmente por CO 2. Tendo esses fatos em mente, e, motivados pela extrema simplicidade, ausência de componentes de alta tecnologia e fácil construção de protótipos, foi desenvolvida uma nova filosofia construtal, baseada em uma Estrutura lamelar, na qual o eletrólito líquido (solução de KOH) é suportado em uma membrana porosa de celulose. Atualmente em fase de caracterização experimental e simulação/modelagem matemática, este primeiro protótipo já revelou uma eficiência superior àquela demonstrada por protótipos comerciais altamente evoluídos de células do tipo PEM. 8

9 Curvas de polarização e potência para protótipo alcalino e PEMFC comercial: 1,0 3,5 Tensão (A) 0,9 0,8 0,7 0,6 Protótipo AMFC PEMFC Comercial 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 Potência (W) 0,5 0,5 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Corrente (A) AGRADECIMENTOS: AFOSR Prof. José V. C. Vargas DEMEC-UFPR 9

10 III WORKSHOP PROSUL GERAÇÃO DE POTÊNCIA DISTRIBUÍDA E ENERGIA AUTO- SUSTENTÁVEL Geração de Potência e Propulsão Aeroespacial com Células de Combustível Dr. José Eduardo Ferreira da Costa Gardolinski 10