Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia Programa de Pós Graduação em Engenharia Elétrica PPGEE0030 - INTRODUÇÃO ÀS ENERGIAS RENOVÁVEIS Docente: Professor Doutor João Tavares Pinho Discente: Rafael Ninno Muniz ENERGIA DO HIDROGÊNIO - Célula de Combustível Alcalina O potencial do hidrogénio como energia do futuro é hoje em dia reconhecido mundialmente. O hidrogénio possibilita às nações reduzirem significativamente as suas emissões de gases de efeito de estufa, dependendo da forma como esse mesmo hidrogénio é produzido, sendo que a sua grande vantagem reside na sua forma de produção, que está relacionada com as fontes renováveis, garantindo uma maior segurança e redução das emissões. O principal obstáculo na utilização do hidrogénio é o seu armazenamento de uma forma econômica, tendo em conta a sua reduzida densidade energética. Contudo existem várias soluções para contornar este problema dependendo de fatores como custos, tecnologias aplicadas e formas de energia disponíveis. Nesse trabalho é dado o foco no uso de células de combustível alcalinas para uso da Energia do Hidrogênio. BREVE INTRODUÇÃO DA TECNOLOGIA Células a combustível são dispositivos eletroquímicos que convertem substâncias químicas combustíveis em corrente elétrica. As reações eletroquímicas de uma célula a combustível ocorrem nos eletrodos (anodo e catodo) separados por um eletrólito. Os eletrodos são capazes de conduzir corrente elétrica para ceder (anodo) ou consumir (catodo) os elétrons necessários às reações eletroquímicas. O eletrólito é isolante à corrente eletrônica, mas conduz os íons envolvidos. A Figura 1 mostra os principais tipos de células, classificados segundo o eletrólito. Cada eletrólito conduz um tipo de íon e opera a uma determinada temperatura, ambos indicados na figura. Uma breve descrição das diferentes células a combustível é mostrado abaixo [1]: Célula alcalina (AFC): O eletrólito é uma solução de KOH e conduz íons OH -. Foi bastante utilizada no programa espacial americano, mas sua sensibilidade a CO restringe sua utilização em sistemas terrestres. A célula alcalina opera em temperaturas na faixa de 70 a 100 C.
Célula de eletrólito polimérico (PEMFC): Uma membrana polimérica conduz prótons quando umedecida em temperaturas baixas (em torno de 80 C), permitindo uso de catalisadores de platina, mais eficientes e sensíveis à contaminação por CO. É adequada à utilização estacionária de pequena potência e à aplicação veicular. Célula de ácido fosfórico (PAFC): O ácido fosfórico é condutor protônico em temperaturas entre 150 e 200 C. O catalisador de platina é menos sensível à contaminação por CO nesta faixa de temperatura e por isso a célula PAFC apresenta comprovada durabilidade e é bastante adequada à geração estacionária de energia. Célula de carbonato fundido (MCFC): O eletrólito, composto de carbonato de lítio, sódio ou potássio, conduz íons em temperaturas em torno de 700 C, o que torna a MCFC adequada à cogeração e à geração estacionária. Célula de óxido sólido (SOFC): Funciona em temperaturas entre 800 e 1000 C e pode ser alimentada com hidrogênio e monóxido de carbono. A alta temperatura de operação dificulta a construção e encarece a tecnologia, razão pela qual se buscam cerâmicas condutoras iônicas a temperaturas mais moderadas. Células de metanol direto e de etanol direto (DMFC e DEFC): São semelhantes às PEMFC, porém, possuem catalisadores capazes de oxidar as moléculas dos álcoois. Células DMFC estão em fase de teste, mas células DEFC, embora interessantes, pois o etanol não é tóxico e é renovável, necessitam de avanços em pesquisa. Estas células possuem aplicações no mercado de equipamentos portáteis. Figura 1 Diagrama dos cinco principais tipos de células a combustível. Fonte: [2]
CÉLULA DE COMBUSTÍVEL ALCALINA As células de combustível alcalinas (AFC), também conhecidas como células Bacon, consomem hidrogénio e oxigénio puro de forma a produzir energia elétrica, calor e água potável. Estão entre os dispositivos deste tipo com maiores níveis de eficiência de conversão, podendo atingir os 70% [2]. Tem sido usada em missões espaciais dos Estados Unidos desde os anos 60. Na Figura 2 é mostrado o diagrama de uma célula de combustível alcalina. Figura 2 Diagrama de uma célula de combustível alcalina. Fonte: [3] Processo químico Esta célula de combustível produz energia elétrica através de uma reação de oxidaçãoredução (ou redox) entre o hidrogénio e o oxigénio. No ânodo do dispositivo o gás de hidrogénio é oxidado de acordo com a meia-reação H 2 + 2 OH- = 2 H 2 O + 2e-, produzindo água e libertando dois elétrons. Estes últimos fluem ao longo de um circuito externo e regressam ao cátodo, onde reduzem o oxigénio segundo a meia-reação O 2 + 2 H 2 O + 4e- = 4 OH- para produzirem íons hidróxidos. Esta reação global consome duas moléculas de hidrogénio e uma molécula de oxigénio para a produção de duas moléculas de água. A energia elétrica e o calor formam-se como subprodutos da reação [2]. Eletrólito Os dois elétrodos das células de combustível alcalinas estão normalmente separados por uma matriz porosa saturada com uma solução aquosa básica (daí o nome alcalina) de um composto como o hidróxido de potássio (ou KOH). As soluções aquosas de tipo alcalino não rejeitam o dióxido de carbono (CO 2 ), pelo que a célula pode ser envenenada pelo hidróxido de potássio em carbonato de potássio (K 2 CO 3 ). Este género de célula funciona por esta razão com oxigénio puro, ou pelo menos com ar atmosférico purificado, e integra um tipo especial de filtro no seu desenho de forma a limpar a maior quantidade possível de CO 2.
As exigências de geração e de armazenamento de oxigénio tornam os dispositivos de tipo AFC dispendiosos, pelo que existem poucas empresas dedicadas ao seu desenvolvimento ativo. Tipos de desenhos Existem, em resultado do referido efeito de envenenamento, duas variantes principais de células de combustível alcalinas, a de eletrólito estático e a de eletrólito dinâmico. As células do primeiro tipo (usadas nas missões Apolo e viagens espaciais) utilizam um separador em amianto saturado em hidróxido de potássio (KOH). A sua produção de água é gerida por meio da evaporação efetuada no ânodo. Esta água destilada pode ser depois usada para outros fins. Este tipo de célula recorre a catalisadores de platina para atingir as maiores eficiências específica e volumétrica possíveis [3]. As células de eletrólito dinâmico usam por seu lado uma matriz mais aberta que permite que este flua não só entre os eléctrodos (de forma paralela), mas também através deles (de forma transversal). Nos desenhos de fluxo paralelo a água gerada é retida no eletrólito, e este pode ser substituído de forma similar àquela utilizada para trocar o óleo usado de um automóvel. No caso dos desenhos de fluxo paralelo é requerido um espaço maior entre os eletrodos de forma a permitir a passagem do eletrólito, o que se traduz num aumento da resistência da célula e na redução da sua potência de saída em comparação com desenhos de eletrólito estático. Um desafio adicional desta tecnologia está ligado ao facto de não ser clara a gravidade do bloqueio do cátodo da célula pelo K 2 CO 3, embora certos estudos refiram durações de milhares de horas em funcionamento ao ar. Estes desenhos utilizam tanto platina como metais não nobres como catalisadores, compensando assim a perda de eficiência (tanto volumétrica como específica) com custos mais baixos [3]. Vantagens das células de combustível alcalinas Como o oxigénio é envolvido no processo de produção de eletricidade, um ambiente alcalino aumenta a eficiência devido à sua capacidade para fazer circular o oxigénio melhor em comparação com os eletrólitos ácidos. Estas células de combustível, como um resultado de um eletrólito alcalino, funcionam melhor à temperatura ambiente, para produzir densidades de corrente elevadas com a queda de tensão menor. Além destas vantagens, as células de combustível alcalinas são mais baratas de fazer do que as outras células, devido ao fato de a célula e os eléctrodos serem feitos de materiais de baixo custo. As células de combustível alcalinas, a fim de trabalhar com a máxima eficácia, exigem um catalisador no eletrólito que acelera as reações envolvidas. No caso de as células de combustível alcalinas, o número de catalisadores alternativos é muito alto - mais elevado do
que o número de catalisadores disponíveis para as células de combustível de ácido eletrolíticas, por exemplo [4]. Desvantagens de células de combustível alcalinas Células de combustível alcalinas tem a desvantagem de terem necessidade de ser instalado num ambiente de dióxido de carbono livre. Isto é para evitar o envenenamento do eletrólito. Se o dióxido de carbono entra em contato com o ambiente alcalino, carbonatos são formados. Estes carbonatos são sais insolúveis que entopem os eletrodos porosos e podem bloquear o fluxo de hidrogênio e oxigênio, resultando em falta de energia. Por isso os gases de entrada precisam ser extremamente purificados. Embora a tecnologia para a purificação esteja totalmente desenvolvida e disponível, o processo aumenta o custo total da célula de combustível e faz com que seja menos prático [4]. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] CAMPARIN, R. H.; MELEIRO, L. A. C.; JORGE, R. M. M.; CANTÃO, M. P.; IMPINNISI, P. R. Avaliação da eficiência de uma célula a combustível estacionária de ácido fosfórico. Química Nova, vol. 30, 1523-1528, 2007. [2] SPRENGER, H. E.; Viabilidade do Uso De Biogás de ETE para Alimentação de Células a Combustível de Ácido Fosfórico; Dissertação de Mestrado; LACTEC Instituto De Tecnologia Para o Desenvolvimento; IEP Instituto de Engenharia do Paraná; PRODETEC Programa De Pós-Graduação em Desenvolvimento de Tecnologia. Disponível em: http://www.lactec.org.br/mestrado/dissertacoes/arquivos/humbertosprenger.pdf. Acessado em: 23/12/2013. [3] WIKIPÉDIA Alkaline Fuel Cell. Disponível em: http://en.wikipedia.org/wiki/alkaline_fuel_cell#. Acessado em 23/12/2013. [4] AFC Energy. Disponível em: http://www.afcenergy.com/default.aspx. Acessado em: 23/12/2013.