Célula de Combustível

Transcrição

1 Modelagem Matemática de Células de Combustível Alcalinas Elise Meister Sommer Engenheira Química Bolsista Msc PRH4 ANP Orientador: Prof. José Viriato Coelho Vargas, PhD PGMEC Pós Graduação em Engenharia Mecânica Universidade Federal do Paraná III Workshop PROSUL 14 de setembro de 007. Célula de Combustível A célula de combustível é uma tecnologia que utiliza a combinação química entre os gases oxigênio (O ) e hidrogênio (H ) para gerar energia elétrica, liberando como resíduos calor e água; Físico inglês William Grove processo inverso à eletrólise da água; A utilização pela NASA impulsionou o seu desenvolvimento. Foi escolhida por ser um equipamento que gera energia com eficiência e utilizar um combustível leve e com grande densidade de energia o Hidrogênio. 1

2 Eletrólise da água Célula de combustível alcalina - Carga + O O OH - OH - H H H O H O H O Ânodo Cátodo Eletrólito Solução Alcalina Funcionamento

3 Vantagens 1. Alta eficiência e confiabilidade;. Excelente desempenho em cargas parciais; 3. Baixas emissões; 4. Intervalos elevados entre falhas; 5. Ausência de partes móveis (exceto sistemas auxiliares); 6. Multi-combustível; 7. Recarga quase-instantânea. Limitações 1. Vida útil limitada;. Eficiência elétrica decrescente em função da vida (degradação de catalisador e eletrólito) 3. Investimento elevado; 4. Poucos provedores da tecnologia; 5. Falta de infra-estrutura (combustível). Pilhas de Célula de Combustível Séries de células individuais. Uma célula produz uma tensão inferior a 1 Volt. O número de células numa pilha varia entre 10 e cerca de 100. A gama de potência das pilhas é de 1kW até cerca de 100 kw. 3

4 Por que o Hidrogênio? A necessidade contínua de produzir combustíveis, com melhor desempenho e ambientalmente corretos; Possui quantidade de energia por unidade de massa maior que qualquer outro combustível conhecido; Embora seja inflamável, tem rápida dispersão, alto coeficiente de difusão e menor densidade. Produção de Hidrogênio Reformadores: Os reformadores são dispositivos que convertem os hidrocarbonetos em misturas de hidrogênio e dióxido de carbono. Os dois principais métodos utilizados são a conversão pelo vapor de água e a oxidação parcial. Biomassa: Um outro método é a utilização de bactérias e algas. As cianobactérias, um ser unicelular muito abundante, produzem H através de seu metabolismo. Energia solar e eólica: Estas fontes renováveis podem ser utilizadas para gerar energia elétrica e eletrolisar a água em H e O. Este seria um método de produção de H sem nenhuma emissão de resíduos. 4

5 Armazenamento Ao utilizar o Hidrogênio para transporte ou geração de energia são necessários meios de transportá-lo de maneira segura e efetiva. Meios existentes: Cilindros de grande volume e pressão forma gasosa; Sistemas criogênicos líquido; Hidretos metálicos; Microesferas ; Nanofibras de carbono. Segurança no armazenamento de Hidrogênio As tecnologias utilizadas para estocagem de H em células combustíveis são na verdade mais seguras que as utilizadas para guardar gasolina; Os tanques de H em carros elétricos podem suportar batidas de até 80Km/h e uma pressão vezes maior que a de operação. Os tanques de H,quando testados, são sujeitos a disparos de pistola e não devem explodir, apenas vazar H pelo furo. 5

6 Tipos de células combustíveis PEMFC Membrana de troca de prótons FC AFC Célula de Combustível Alcalina PAFC Célula de Combustível de Ácido Fosfórico SOFC Célula de Combustível de Óxido Sólido MCFC Célula de Combustível de Carbonato Fundido DMCFC Célula de Combustível de Metanol Direto 6

7 Projeto de Dissertação Justificativa O eletrodo; O eletrólito; Testes no laboratório; Etapas do Trabalho Modelo Matemático tico 7

8 Modelagem Matemática Etapas do Trabalho Modelo Matemático tico Solução Analítica ou Numérica Código Computacional Validação Experimental do modelo (e ajustes) Otimização numérica 8

9 Agradecimentos Ao professor Prof. José Viriato Coelho Vargas, PhD pela orientação e ensinamentos; Ao PGMEC da Universidade Federal do Paraná; À Agência Nacional do Petróleo Gás Natural e Biocombustíveis ANP e à Financiadora de Estudos e Projetos - FINEP, através do Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor Petróleo e Gás Natural - PRH-ANP/MME/MCT pelo apoio financeiro; Aos colegas pela ajuda e participação na realização dos trabalhos. 9

10 Comparação entre as Principais Tecnologias de Células a Combustível FC Combustível Eletrólito PEMFC Hidrogênio Polímeros Orgânicos Temp. de Operação (?C) Reações Eletroquímicas 1) H H + + e ) 1 + O + H + e H O 3) + 1 O H O H AFC Hidrogênio Puro Solução Aquosa de KOH ) H + OH H O + e ) 1 O + H O + e OH 3) + 1 O H O H PAFC Gás Natural, Biogás H3PO4 Líquido ) H H + + e ) 1 + O + H + e H O 3) + 1 O H O H SOFC Gás Natural, Biogás, Etanol, etc Óxido de Zircônia Sólido com um pouco de Ítrio ) H + O H + + e ) 1 O + e O 3) + 1 O H O H MCFC DMCFC Gás Natural, Biogás, Etanol, etc Metanol Diluído em Água Solução Líquida de Li, Na e/ou KCO3 Polímeros Orgânicos ) H + CO H O + CO + e ) 1 3 O + CO + e CO 3 3) H + CO H O + CO + e CO é consumido em e produzido em 1 1) CH OH + H O CO + 6H + + 6e 3 ) 3 + O + 6H + 6e 3H O 3) CH OH + 3 O CO + HO 3 1) Anodo )Catodo 3)Célula 10