O carro movido a água pode em breve se tornar realidade e células de combustível de hidrogênio serão instaladas em muitas casas...

A tecnologia de células de combustível de hidrogênio não é nova. Tudo começou em 1776, quando Henry Cavendish descobriu o hidrogênio ao dissolver metais em ácidos diluídos. A primeira célula de combustível de hidrogênio foi inventada em 1839 por William Grove. Desde então, as células a combustível de hidrogênio foram aprimoradas gradualmente e agora são instaladas em ônibus espaciais, fornecendo-lhes energia e servindo como fonte de água. Hoje, a tecnologia de células de combustível de hidrogênio está prestes a atingir o mercado de massa, em carros, residências e dispositivos portáteis.

Em uma célula de combustível de hidrogênio, a energia química (na forma de hidrogênio e oxigênio) é convertida diretamente (sem combustão) em energia elétrica. A célula de combustível consiste em um cátodo, eletrodos e um ânodo. O hidrogênio é alimentado ao ânodo, onde é dividido em prótons e elétrons. Prótons e elétrons têm rotas diferentes para o cátodo. Os prótons viajam através do eletrodo para o cátodo, e os elétrons viajam ao redor das células de combustível para chegar ao cátodo. Este movimento cria posteriormente energia elétrica utilizável. Por outro lado, prótons e elétrons de hidrogênio se combinam com o oxigênio para formar água.

Os eletrolisadores são uma maneira de extrair hidrogênio da água. O processo é basicamente o oposto do que acontece quando uma célula a combustível de hidrogênio opera. O eletrolisador consiste em um ânodo, uma célula eletroquímica e um cátodo. Água e tensão são aplicadas ao ânodo, que divide a água em hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio passa pela célula eletroquímica para o cátodo e o oxigênio é alimentado diretamente para o cátodo. A partir daí, hidrogênio e oxigênio podem ser extraídos e armazenados. Durante os períodos em que a eletricidade não é necessária para ser produzida, o gás acumulado pode ser retirado do armazenamento e devolvido através da célula de combustível.

Esse sistema usa hidrogênio como combustível, o que provavelmente explica muitos mitos sobre sua segurança. Após a explosão do Hindenburg, muitas pessoas se distanciaram da ciência e até alguns cientistas começaram a acreditar que o uso do hidrogênio é muito perigoso. No entanto, pesquisas recentes mostraram que a causa dessa tragédia se deveu ao tipo de material que foi usado na construção, e não ao hidrogênio que foi bombeado para dentro. Depois de testar a segurança do armazenamento de hidrogênio, descobriu-se que armazenamento de hidrogênio em células de combustível é mais seguro do que armazenar gasolina no tanque de combustível de um carro.

Quanto custam as células de combustível de hidrogênio modernas?? Atualmente, as empresas estão oferecendo sistemas de combustível de hidrogênio para produzir energia por cerca de US$ 3.000 por quilowatt. A pesquisa de mercado estabeleceu que, quando o custo cair para US$ 1.500 por quilowatt, os consumidores do mercado de energia de massa estarão prontos para mudar para esse tipo de combustível.

Os veículos com célula de combustível de hidrogênio ainda são mais caros do que os veículos com motor de combustão, mas os fabricantes estão explorando maneiras de elevar o preço a um nível comparável. Em algumas áreas remotas onde não há linhas de energia, usar hidrogênio como combustível ou fonte de energia autônoma em casa pode ser mais econômico agora do que, por exemplo, construir infraestrutura para transportadores de energia tradicionais.

Por que as células a combustível de hidrogênio ainda não são amplamente utilizadas? No momento, seu alto custo é o principal problema para a distribuição de células a combustível de hidrogênio. Os sistemas de combustível de hidrogênio simplesmente não têm demanda de massa no momento. No entanto, a ciência não fica parada e em um futuro próximo um carro movido a água pode se tornar uma realidade real.

Fabricação, montagem, teste e teste de células/células de combustível (hidrogênio)
Fabricado em fábricas nos EUA e Canadá

Células/células de combustível (hidrogênio)

A empresa Intech GmbH / LLC Intech GmbH está no mercado de serviços de engenharia desde 1997, oficial há muitos anos de vários equipamentos industriais, traz à sua atenção várias células / células de combustível (hidrogênio).

Uma célula de combustível/célula é

Benefícios das células de combustível/células

Uma célula de combustível/célula é um dispositivo que gera eficientemente corrente contínua e calor a partir de um combustível rico em hidrogênio por meio de uma reação eletroquímica.

Uma célula de combustível é semelhante a uma bateria, pois gera corrente contínua através de uma reação química. A célula de combustível inclui um ânodo, um cátodo e um eletrólito. No entanto, ao contrário das baterias, as células de combustível não podem armazenar energia elétrica, não descarregam e não requerem eletricidade para ser recarregada. As células/células de combustível podem gerar eletricidade continuamente, desde que tenham suprimento de combustível e ar.

Ao contrário de outros geradores de energia, como motores de combustão interna ou turbinas movidas a gás, carvão, óleo, etc., as células/células de combustível não queimam combustível. Isso significa que não há rotores barulhentos de alta pressão, nenhum ruído alto de exaustão, nenhuma vibração. As células de combustível geram eletricidade através de uma reação eletroquímica silenciosa. Outra característica das células a combustível é que elas convertem a energia química do combustível diretamente em eletricidade, calor e água.

As células de combustível são altamente eficientes e não produzem grandes quantidades de gases de efeito estufa, como dióxido de carbono, metano e óxido nitroso. Os únicos produtos emitidos durante a operação são água na forma de vapor e uma pequena quantidade de dióxido de carbono, que não é emitido se o hidrogênio puro for usado como combustível. As células/células de combustível são montadas em conjuntos e depois em módulos funcionais individuais.

História do desenvolvimento de células de combustível/células

Nas décadas de 1950 e 1960, um dos maiores desafios para as células de combustível nasceu da necessidade da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA) por fontes de energia para missões espaciais de longa duração. A célula/célula de combustível alcalina da NASA usa hidrogênio e oxigênio como combustível, combinando os dois em uma reação eletroquímica. A saída são três subprodutos de reação úteis em voos espaciais - eletricidade para alimentar a espaçonave, água para beber e sistemas de refrigeração e calor para manter os astronautas aquecidos.

A descoberta das células de combustível remonta ao início do século XIX. A primeira evidência do efeito das células a combustível foi obtida em 1838.

No final da década de 1930, o trabalho começou em células de combustível alcalinas e, em 1939, uma célula usando eletrodos niquelados de alta pressão foi construída. Durante a Segunda Guerra Mundial, células de combustível/células para submarinos da Marinha Britânica foram desenvolvidas e em 1958 um conjunto de combustível consistindo de células de combustível alcalinas com pouco mais de 25 cm de diâmetro foi introduzido.

O interesse aumentou nas décadas de 1950 e 1960 e também na década de 1980, quando o mundo industrial experimentou a escassez de óleo combustível. No mesmo período, os países do mundo também se preocuparam com o problema da poluição do ar e consideraram maneiras de gerar eletricidade ecologicamente correta. Atualmente, a tecnologia de célula de combustível/célula está passando por um rápido desenvolvimento.

Como funcionam as células/células de combustível

As células/células de combustível geram eletricidade e calor através de uma reação eletroquímica contínua usando um eletrólito, um cátodo e um ânodo.

O ânodo e o cátodo são separados por um eletrólito que conduz prótons. Depois que o hidrogênio entra no ânodo e o oxigênio entra no cátodo, uma reação química começa, como resultado da geração de corrente elétrica, calor e água.

No catalisador anódico, o hidrogênio molecular se dissocia e perde elétrons. Os íons de hidrogênio (prótons) são conduzidos através do eletrólito para o cátodo, enquanto os elétrons passam pelo eletrólito e por um circuito elétrico externo, criando uma corrente contínua que pode ser usada para alimentar equipamentos. No catalisador catódico, uma molécula de oxigênio combina-se com um elétron (que é fornecido por comunicações externas) e um próton de entrada, e forma a água, que é o único produto da reação (na forma de vapor e/ou líquido).

Abaixo está a reação correspondente:

Reação anódica: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reação no cátodo: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Reação geral do elemento: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Tipos e variedade de células/células de combustível

À semelhança da existência de diferentes tipos de motores de combustão interna, existem diferentes tipos de células de combustível - a escolha do tipo de célula de combustível adequado depende da sua aplicação.

As células de combustível são divididas em alta temperatura e baixa temperatura. As células de combustível de baixa temperatura requerem hidrogênio relativamente puro como combustível. Isso geralmente significa que o processamento do combustível é necessário para converter o combustível primário (como o gás natural) em hidrogênio puro. Este processo consome energia adicional e requer equipamentos especiais. As células de combustível de alta temperatura não precisam desse procedimento adicional, pois podem "converter internamente" o combustível em temperaturas elevadas, o que significa que não há necessidade de investir em infraestrutura de hidrogênio.

Células de combustível/células em carbonato fundido (MCFC)

As células de combustível de eletrólito de carbonato fundido são células de combustível de alta temperatura. A alta temperatura de operação permite o uso direto de gás natural sem um processador de combustível e gás combustível de baixo poder calorífico de combustíveis de processo e outras fontes.

A operação do RCFC é diferente de outras células de combustível. Essas células usam um eletrólito de uma mistura de sais de carbonato fundidos. Atualmente, são utilizados dois tipos de misturas: carbonato de lítio e carbonato de potássio ou carbonato de lítio e carbonato de sódio. Para derreter sais de carbonato e alcançar um alto grau de mobilidade de íons no eletrólito, as células de combustível com eletrólito de carbonato fundido operam em altas temperaturas (650°C). A eficiência varia entre 60-80%.

Quando aquecidos a uma temperatura de 650°C, os sais tornam-se condutores de íons carbonato (CO 3 2-). Esses íons passam do cátodo para o ânodo, onde se combinam com o hidrogênio para formar água, dióxido de carbono e elétrons livres. Esses elétrons são enviados através de um circuito elétrico externo de volta ao cátodo, gerando corrente elétrica e calor como subproduto.

Reação anódica: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reação no cátodo: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Reação geral do elemento: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (cátodo) => H 2 O (g) + CO 2 (ânodo)

As altas temperaturas de operação das células a combustível de eletrólito de carbonato fundido têm certas vantagens. Em altas temperaturas, o gás natural é reformado internamente, eliminando a necessidade de um processador de combustível. Além disso, as vantagens incluem a capacidade de usar materiais padrão de construção, como chapa de aço inoxidável e catalisador de níquel nos eletrodos. O calor residual pode ser usado para gerar vapor de alta pressão para diversos fins industriais e comerciais.

Altas temperaturas de reação no eletrólito também têm suas vantagens. O uso de altas temperaturas leva muito tempo para atingir as condições ideais de operação e o sistema reage mais lentamente às mudanças no consumo de energia. Essas características permitem o uso de sistemas de células a combustível com eletrólito de carbonato fundido em condições de potência constantes. Altas temperaturas evitam danos à célula de combustível por monóxido de carbono.

As células de combustível de carbonato fundido são adequadas para uso em grandes instalações estacionárias. As usinas termelétricas com potência elétrica de 3,0 MW são produzidas industrialmente. Usinas com potência de saída de até 110 MW estão sendo desenvolvidas.

Células de combustível/células à base de ácido fosfórico (PFC)

As células a combustível baseadas em ácido fosfórico (ortofosfórico) foram as primeiras células a combustível para uso comercial.

As células a combustível à base de ácido fosfórico (ortofosfórico) utilizam um eletrólito à base de ácido ortofosfórico (H 3 PO 4) com concentração de até 100%. A condutividade iônica do ácido fosfórico é baixa em baixas temperaturas, por esta razão essas células a combustível são usadas em temperaturas de até 150-220°C.

O portador de carga em células de combustível deste tipo é o hidrogênio (H+, próton). Um processo semelhante ocorre em células a combustível de membrana de troca de prótons, nas quais o hidrogênio fornecido ao ânodo é dividido em prótons e elétrons. Os prótons passam pelo eletrólito e se combinam com o oxigênio do ar no cátodo para formar água. Os elétrons são direcionados ao longo de um circuito elétrico externo e uma corrente elétrica é gerada. Abaixo estão as reações que geram eletricidade e calor.

Reação no ânodo: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reação no cátodo: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Reação geral do elemento: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

A eficiência das células de combustível à base de ácido fosfórico (ortofosfórico) é superior a 40% na geração de energia elétrica. Na produção combinada de calor e eletricidade, a eficiência global é de cerca de 85%. Além disso, dadas as temperaturas de operação, o calor residual pode ser usado para aquecer água e gerar vapor à pressão atmosférica.

O elevado desempenho das centrais térmicas em células de combustível à base de ácido fosfórico (ortofosfórico) na produção combinada de calor e eletricidade é uma das vantagens deste tipo de células de combustível. As usinas utilizam monóxido de carbono em uma concentração de cerca de 1,5%, o que amplia muito a escolha do combustível. Além disso, o CO 2 não afeta o eletrólito e o funcionamento da célula a combustível, este tipo de célula funciona com combustível natural reformado. Construção simples, baixa volatilidade eletrolítica e maior estabilidade também são vantagens deste tipo de célula a combustível.

As usinas termelétricas com potência elétrica de até 500 kW são produzidas industrialmente. As instalações de 11 MW passaram nos testes relevantes. Usinas com potência de saída de até 100 MW estão sendo desenvolvidas.

Células/células de combustível de óxido sólido (SOFC)

As células a combustível de óxido sólido são as células a combustível com a temperatura de operação mais alta. A temperatura de operação pode variar de 600°C a 1000°C, o que permite a utilização de diversos tipos de combustível sem pré-tratamento especial. Para lidar com essas altas temperaturas, o eletrólito usado é um óxido de metal sólido à base de cerâmica fina, muitas vezes uma liga de ítrio e zircônio, que é um condutor de íons de oxigênio (O 2-).

Um eletrólito sólido fornece uma transição de gás hermética de um eletrodo para outro, enquanto eletrólitos líquidos estão localizados em um substrato poroso. O portador de carga em células de combustível deste tipo é o íon oxigênio (O 2-). No cátodo, as moléculas de oxigênio são separadas do ar em um íon de oxigênio e quatro elétrons. Os íons de oxigênio passam pelo eletrólito e se combinam com o hidrogênio para formar quatro elétrons livres. Os elétrons são direcionados através de um circuito elétrico externo, gerando corrente elétrica e calor residual.

Reação no ânodo: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reação no cátodo: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Reação geral do elemento: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

A eficiência da energia elétrica gerada é a mais alta de todas as células de combustível - cerca de 60-70%. As altas temperaturas de operação permitem a geração combinada de calor e energia para gerar vapor de alta pressão. A combinação de uma célula de combustível de alta temperatura com uma turbina cria uma célula de combustível híbrida para aumentar a eficiência da geração de energia elétrica em até 75%.

As células de combustível de óxido sólido operam em temperaturas muito altas (600°C - 1000°C), resultando em um longo tempo para atingir as condições ideais de operação, e o sistema é mais lento para responder às mudanças no consumo de energia. Em temperaturas de operação tão altas, nenhum conversor é necessário para recuperar hidrogênio do combustível, permitindo que a usina termelétrica opere com combustíveis relativamente impuros da gaseificação de carvão ou gases residuais e semelhantes. Além disso, esta célula de combustível é excelente para aplicações de alta potência, incluindo centrais elétricas industriais e de grande porte. Módulos produzidos industrialmente com potência elétrica de saída de 100 kW.

Células de combustível/células com oxidação direta de metanol (DOMTE)

A tecnologia de uso de células a combustível com oxidação direta do metanol está passando por um período de desenvolvimento ativo. Estabeleceu-se com sucesso no campo da alimentação de telefones celulares, laptops, bem como na criação de fontes de energia portáteis. a que se destina a futura aplicação desses elementos.

A estrutura das células a combustível com oxidação direta do metanol é semelhante às células a combustível com membrana de troca de prótons (MOFEC), ou seja, um polímero é usado como eletrólito e um íon de hidrogênio (próton) é usado como transportador de carga. No entanto, o metanol líquido (CH 3 OH) é oxidado na presença de água no ânodo, liberando CO 2 , íons de hidrogênio e elétrons, que são guiados por um circuito elétrico externo, gerando uma corrente elétrica. Os íons de hidrogênio passam pelo eletrólito e reagem com o oxigênio do ar e os elétrons do circuito externo para formar água no ânodo.

Reação no ânodo: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reação no cátodo: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Reação geral do elemento: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

A vantagem deste tipo de célula a combustível é seu pequeno tamanho, devido ao uso de combustível líquido, e a ausência da necessidade de uso de conversor.

Células/células de combustível alcalinas (AFC)

As células de combustível alcalinas são um dos elementos mais eficientes usados ​​para gerar eletricidade, com eficiência de geração de energia chegando a 70%.

As células de combustível alcalinas usam um eletrólito, ou seja, uma solução aquosa de hidróxido de potássio, contida em uma matriz porosa e estabilizada. A concentração de hidróxido de potássio pode variar dependendo da temperatura de operação da célula a combustível, que varia de 65°C a 220°C. O portador de carga em um SFC é um íon hidróxido (OH-) movendo-se do cátodo para o ânodo, onde reage com o hidrogênio para produzir água e elétrons. A água produzida no ânodo volta para o cátodo, gerando novamente íons hidróxido. Como resultado desta série de reações que ocorrem na célula de combustível, a eletricidade é produzida e, como subproduto, calor:

Reação no ânodo: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reação no cátodo: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Reação geral do sistema: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

A vantagem dos SFCs é que essas células a combustível são as mais baratas de fabricar, já que o catalisador necessário nos eletrodos pode ser qualquer uma das substâncias mais baratas do que aquelas usadas como catalisadores para outras células a combustível. Os SCFCs operam em temperaturas relativamente baixas e estão entre as células de combustível mais eficientes - tais características podem contribuir respectivamente para uma geração de energia mais rápida e alta eficiência de combustível.

Uma das características do SHTE é sua alta sensibilidade ao CO 2 , que pode estar contido no combustível ou no ar. O CO 2 reage com o eletrólito, envenena-o rapidamente e reduz muito a eficiência da célula de combustível. Portanto, o uso de SFCs é limitado a espaços fechados, como veículos espaciais e submarinos, eles devem operar com hidrogênio e oxigênio puros. Além disso, moléculas como CO, H 2 O e CH4, que são seguras para outras células a combustível e até combustível para algumas delas, são prejudiciais aos SFCs.

Células/células de combustível de eletrólito de polímero (PETE)

No caso de células a combustível de eletrólito polimérico, a membrana polimérica é constituída por fibras poliméricas com regiões aquosas nas quais há uma condução de íons água (H 2 O + (próton, vermelho) ligado à molécula de água). As moléculas de água apresentam um problema devido à troca iônica lenta. Portanto, é necessária uma alta concentração de água tanto no combustível quanto nos eletrodos de exaustão, o que limita a temperatura de operação a 100°C.

Células/células de combustível de ácido sólido (SCFC)

Em células a combustível de ácido sólido, o eletrólito (CsHSO 4 ) não contém água. A temperatura de operação é, portanto, 100-300°C. A rotação dos ânions SO 4 2-oxi permite que os prótons (vermelho) se movam conforme mostrado na figura. Normalmente, uma célula de combustível de ácido sólido é um sanduíche no qual uma camada muito fina de composto de ácido sólido é colocada entre dois eletrodos firmemente comprimidos para garantir um bom contato. Quando aquecido, o componente orgânico evapora, saindo pelos poros nos eletrodos, mantendo a capacidade de inúmeros contatos entre o combustível (ou oxigênio na outra extremidade da célula), eletrólito e eletrodos.

As usinas de energia e calor municipais inovadoras que economizam energia são normalmente construídas em células de combustível de óxido sólido (SOFCs), células de combustível de eletrólito de polímero (PEFCs), células de combustível de ácido fosfórico (PCFCs), células de combustível de membrana de troca de prótons (MPFCs) e células de combustível alcalinas. APFC). Geralmente apresentam as seguintes características:

As células a combustível de óxido sólido (SOFC) devem ser reconhecidas como as mais adequadas, que:

• operar a uma temperatura mais alta, o que reduz a necessidade de metais preciosos caros (como platina)
• pode operar em vários tipos de combustíveis de hidrocarbonetos, principalmente em gás natural
• têm um tempo de inicialização mais longo e, portanto, são mais adequados para operação a longo prazo
• demonstrar alta eficiência de geração de energia (até 70%)
• devido às altas temperaturas de operação, as unidades podem ser combinadas com sistemas de recuperação de calor, elevando a eficiência geral do sistema até 85%
• têm emissões próximas de zero, operam silenciosamente e têm baixos requisitos operacionais em comparação com as tecnologias de geração de energia existentes

Tipo de célula de combustível	Temperatura de trabalho	Eficiência de Geração de Energia	Tipo de combustível	Area de aplicação
RKTE	550–700°C	50-70%		Instalações de médio e grande porte
FKTE	100–220°C	35-40%	hidrogênio puro	Grandes instalações
MOPTE	30-100°C	35-50%	hidrogênio puro	Pequenas instalações
SOFC	450–1000°C	45-70%	A maioria dos combustíveis de hidrocarbonetos	Instalações de pequeno, médio e grande porte
POMBA	20-90°C	20-30%	metanol	Portátil
SHTE	50–200°C	40-70%	hidrogênio puro	pesquisa Espacial
PETE	30-100°C	35-50%	hidrogênio puro	Pequenas instalações

Como pequenas usinas termelétricas podem ser conectadas a uma rede convencional de fornecimento de gás, as células de combustível não requerem um sistema separado de fornecimento de hidrogênio. Ao utilizar pequenas centrais térmicas baseadas em células de combustível de óxido sólido, o calor gerado pode ser integrado em trocadores de calor para aquecimento de água e ventilação de ar, aumentando a eficiência geral do sistema. Essa tecnologia inovadora é mais adequada para geração de energia eficiente sem a necessidade de infraestrutura cara e integração de instrumentos complexos.

Aplicações de célula de combustível/célula

Aplicação de células de combustível em sistemas de telecomunicações

Com a rápida disseminação dos sistemas de comunicação sem fio em todo o mundo e os crescentes benefícios sociais e econômicos da tecnologia de telefonia móvel, a necessidade de energia de backup confiável e econômica tornou-se crítica. Perdas de rede ao longo do ano devido ao mau tempo, desastres naturais ou capacidade limitada da rede são um desafio constante para os operadores de rede.

As soluções tradicionais de backup de energia de telecomunicações incluem baterias (célula de bateria de chumbo-ácido regulada por válvula) para energia de backup de curto prazo e geradores a diesel e propano para energia de backup mais longa. As baterias são uma fonte relativamente barata de energia de backup por 1 a 2 horas. No entanto, as baterias não são adequadas para períodos de backup mais longos porque são caras de manter, tornam-se não confiáveis ​​após longos períodos de uso, são sensíveis a temperaturas e são perigosas para o meio ambiente após o descarte. Geradores a diesel e propano podem fornecer energia de reserva contínua. No entanto, os geradores podem não ser confiáveis, exigir manutenção extensiva e liberar altos níveis de poluentes e gases de efeito estufa na atmosfera.

Para eliminar as limitações das soluções tradicionais de energia de backup, foi desenvolvida uma tecnologia inovadora de célula de combustível verde. As células de combustível são confiáveis, silenciosas, contêm menos peças móveis do que um gerador, têm uma faixa de temperatura operacional mais ampla do que uma bateria de -40°C a +50°C e, como resultado, proporcionam níveis extremamente altos de economia de energia. Além disso, o custo de vida útil de tal usina é menor do que o de um gerador. O custo mais baixo por célula de combustível é o resultado de apenas uma visita de manutenção por ano e produtividade da planta significativamente maior. Afinal, a célula de combustível é uma solução tecnológica ecologicamente correta com impacto ambiental mínimo.

As unidades de célula de combustível fornecem energia de backup para infraestruturas de rede de comunicações críticas para comunicações sem fio, permanentes e de banda larga no sistema de telecomunicações, variando de 250W a 15kW, elas oferecem muitos recursos inovadores incomparáveis:

• CONFIABILIDADE– Poucas peças móveis e nenhuma descarga de espera
• ECONOMIA DE ENERGIA
• SILÊNCIO- baixo nível de ruído
• ESTABILIDADE– faixa de operação de -40°C a +50°C
• ADAPTABILIDADE– instalação externa e interna (recipiente/recipiente de proteção)
• ALTO PODER- até 15 kW
• BAIXA NECESSIDADE DE MANUTENÇÃO- manutenção anual mínima
• ECONOMIA- custo total de propriedade atraente
• ENERGIA LIMPA– baixas emissões com impacto ambiental mínimo

O sistema detecta a tensão do barramento CC o tempo todo e aceita suavemente cargas críticas se a tensão do barramento CC cair abaixo de um ponto de ajuste definido pelo usuário. O sistema funciona com hidrogênio, que entra na pilha de células de combustível de duas maneiras - a partir de uma fonte comercial de hidrogênio ou de um combustível líquido de metanol e água, usando um sistema reformador integrado.

A eletricidade é produzida pela pilha de células de combustível na forma de corrente contínua. A energia CC é enviada para um conversor que converte a energia CC não regulada da pilha de células de combustível em energia CC regulada de alta qualidade para as cargas necessárias. Uma instalação de célula de combustível pode fornecer energia de reserva por muitos dias, pois a duração é limitada apenas pela quantidade de hidrogênio ou metanol/água combustível disponível em estoque.

As células de combustível oferecem eficiência energética superior, maior confiabilidade do sistema, desempenho mais previsível em uma ampla variedade de climas e vida útil confiável em comparação com as baterias de chumbo-ácido reguladas por válvula padrão do setor. Os custos do ciclo de vida também são menores devido aos requisitos de manutenção e substituição significativamente menores. As células de combustível oferecem benefícios ambientais ao usuário final, pois os custos de descarte e os riscos de responsabilidade associados às células de chumbo-ácido são uma preocupação crescente.

O desempenho das baterias elétricas pode ser afetado negativamente por uma ampla gama de fatores, como nível de carga, temperatura, ciclos, vida útil e outras variáveis. A energia fornecida varia de acordo com esses fatores e não é fácil de prever. O desempenho de uma célula a combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC) é relativamente pouco afetado por esses fatores e pode fornecer energia crítica enquanto o combustível estiver disponível. A maior previsibilidade é um benefício importante ao mudar para células de combustível para aplicações de energia de backup de missão crítica.

As células de combustível geram energia apenas quando o combustível é fornecido, como um gerador de turbina a gás, mas não possuem partes móveis na zona de geração. Portanto, ao contrário de um gerador, eles não estão sujeitos a desgaste rápido e não requerem manutenção e lubrificação constantes.

O combustível usado para acionar o Conversor de Combustível de Longa Duração é uma mistura de metanol e água. O metanol é um combustível comercial amplamente disponível que atualmente tem muitos usos, incluindo lavador de pára-brisa, garrafas plásticas, aditivos de motor e tintas de emulsão. O metanol é fácil de transportar, miscível com água, tem boa biodegradabilidade e é livre de enxofre. Tem um baixo ponto de congelamento (-71°C) e não se decompõe durante o armazenamento prolongado.

Aplicação de células a combustível em redes de comunicação

As redes de segurança requerem soluções de energia de backup confiáveis ​​que podem durar horas ou dias em caso de emergência se a rede elétrica ficar indisponível.

Com poucas peças móveis e nenhuma redução de energia em standby, a inovadora tecnologia de célula de combustível oferece uma solução atraente em comparação com os sistemas de energia de reserva atualmente disponíveis.

A razão mais convincente para o uso da tecnologia de célula de combustível em redes de comunicação é a maior confiabilidade e segurança geral. Durante eventos como falta de energia, terremotos, tempestades e furacões, é importante que os sistemas continuem a operar e tenham uma fonte de alimentação de reserva confiável por um longo período de tempo, independentemente da temperatura ou idade do sistema de energia de reserva.

A gama de fontes de alimentação de células de combustível é ideal para suportar redes de comunicações seguras. Graças aos seus princípios de design de economia de energia, eles fornecem uma energia de backup confiável e ecologicamente correta com duração estendida (até vários dias) para uso na faixa de potência de 250 W a 15 kW.

Aplicação de células a combustível em redes de dados

O fornecimento de energia confiável para redes de dados, como redes de dados de alta velocidade e backbones de fibra óptica, é de fundamental importância em todo o mundo. As informações transmitidas por essas redes contêm dados críticos para instituições como bancos, companhias aéreas ou centros médicos. Uma queda de energia nessas redes não apenas representa um perigo para as informações transmitidas, mas também, como regra, leva a perdas financeiras significativas. Instalações confiáveis ​​e inovadoras de células de combustível que fornecem energia em standby fornecem a confiabilidade necessária para garantir energia ininterrupta.

As unidades de células de combustível que operam com uma mistura de combustível líquido de metanol e água fornecem uma fonte de alimentação de backup confiável com duração estendida, até vários dias. Além disso, essas unidades apresentam requisitos de manutenção significativamente reduzidos em comparação com geradores e baterias, exigindo apenas uma visita de manutenção por ano.

Características típicas de aplicação para o uso de instalações de células de combustível em redes de dados:

• Aplicações com entradas de potência de 100 W a 15 kW
• Aplicações com requisitos de duração da bateria > 4 horas
• Repetidores em sistemas de fibra óptica (hierarquia de sistemas digitais síncronos, internet de alta velocidade, voz sobre IP…)
• Nós de rede de transmissão de dados de alta velocidade
• Nós de transmissão WiMAX

As instalações de reserva de células de combustível oferecem inúmeras vantagens para infraestruturas de rede de dados críticas em relação aos geradores tradicionais a bateria ou a diesel, permitindo maior utilização no local:

1. A tecnologia de combustível líquido resolve o problema de armazenamento de hidrogênio e fornece energia de reserva praticamente ilimitada.
2. Devido à sua operação silenciosa, baixo peso, resistência a temperaturas extremas e operação praticamente livre de vibrações, as células de combustível podem ser instaladas ao ar livre, em instalações/contêineres industriais ou em telhados.
3. As preparações no local para usar o sistema são rápidas e econômicas, e o custo de operação é baixo.
4. O combustível é biodegradável e representa uma solução ecologicamente correta para o meio urbano.

Aplicação de células a combustível em sistemas de segurança

Os sistemas de segurança e comunicação de edifícios mais cuidadosamente projetados são tão confiáveis ​​quanto a energia que os alimenta. Embora a maioria dos sistemas inclua algum tipo de sistema de energia ininterrupta de backup para perdas de energia de curto prazo, eles não fornecem as quedas de energia mais longas que podem ocorrer após desastres naturais ou ataques terroristas. Essa pode ser uma questão crítica para muitas agências corporativas e governamentais.

Sistemas vitais como monitoramento de CFTV e sistemas de controle de acesso (leitores de cartões de identificação, dispositivos de fechamento de portas, tecnologia de identificação biométrica, etc.), sistemas automáticos de alarme e extinção de incêndio, sistemas de controle de elevadores e redes de telecomunicações, estão em risco na ausência de um fonte alternativa confiável de fornecimento contínuo de energia.

Os geradores a diesel são barulhentos, difíceis de localizar e estão bem cientes de seus problemas de confiabilidade e manutenção. Em contraste, uma instalação de backup de célula de combustível é silenciosa, confiável, tem emissões zero ou muito baixas e é fácil de instalar em um telhado ou fora de um edifício. Não descarrega ou perde energia no modo de espera. Garante a operação contínua de sistemas críticos, mesmo após a instituição encerrar suas operações e o prédio ser abandonado por pessoas.

Instalações inovadoras de células de combustível protegem investimentos caros em aplicações críticas. Eles fornecem energia de reserva ecológica, confiável e duradoura (até muitos dias) para uso na faixa de potência de 250 W a 15 kW, combinada com vários recursos inigualáveis ​​e, especialmente, um alto nível de economia de energia.

As unidades de backup de energia de célula de combustível oferecem inúmeras vantagens para aplicações críticas, como sistemas de segurança e gerenciamento de edifícios, em relação aos geradores tradicionais a bateria ou a diesel. A tecnologia de combustível líquido resolve o problema de armazenamento de hidrogênio e fornece energia de reserva praticamente ilimitada.

Aplicação de células de combustível em aquecimento doméstico e geração de energia

Células de combustível de óxido sólido (SOFCs) são usadas para construir usinas termelétricas confiáveis, energeticamente eficientes e livres de emissões para gerar eletricidade e calor a partir de gás natural amplamente disponível e combustíveis renováveis. Essas unidades inovadoras são utilizadas em uma ampla variedade de mercados, desde a geração de energia doméstica até o fornecimento de energia para áreas remotas, bem como fontes de energia auxiliares.

Essas unidades de economia de energia produzem calor para aquecimento de ambientes e água, bem como eletricidade que pode ser usada em casa e realimentada na rede elétrica. As fontes de geração de energia distribuída podem incluir células fotovoltaicas (solares) e micro turbinas eólicas. Essas tecnologias são visíveis e amplamente conhecidas, mas sua operação depende das condições climáticas e não podem gerar eletricidade de forma consistente durante todo o ano. Em termos de potência, as usinas termelétricas podem variar de menos de 1 kW a 6 MW e mais.

Aplicação de células a combustível em redes de distribuição

Pequenas usinas termelétricas são projetadas para operar em uma rede de geração de energia distribuída que consiste em um grande número de pequenos grupos geradores em vez de uma usina centralizada.

A figura abaixo mostra a perda de eficiência de geração de energia quando ela é gerada por usinas de cogeração e transmitida às residências através das redes de transmissão tradicionais atualmente em uso. As perdas de eficiência na geração distrital incluem perdas da usina, transmissão de baixa e alta tensão e perdas de distribuição.

A figura mostra os resultados da integração de pequenas usinas termelétricas: a eletricidade é gerada com eficiência de geração de até 60% no ponto de uso. Além disso, a família pode usar o calor gerado pelas células de combustível para aquecimento de água e ambiente, o que aumenta a eficiência geral do processamento de energia do combustível e melhora a economia de energia.

Uso de Células de Combustível para Proteção do Meio Ambiente - Utilização de Gás de Petróleo Associado

Uma das tarefas mais importantes na indústria do petróleo é a utilização do gás de petróleo associado. Os métodos existentes de utilização do gás de petróleo associado apresentam inúmeras desvantagens, sendo a principal delas a inviabilidade econômica. O gás de petróleo associado é queimado, o que causa grandes danos ao meio ambiente e à saúde humana.

As usinas inovadoras de aquecimento e energia com células de combustível que usam gás de petróleo associado como combustível abrem o caminho para uma solução radical e econômica para os problemas de utilização de gás de petróleo associado.

1. Uma das principais vantagens das instalações de células de combustível é que elas podem operar de forma confiável e sustentável com gás de petróleo associado à composição variável. Devido à reação química sem chama subjacente à operação de uma célula de combustível, uma redução na porcentagem de, por exemplo, metano causa apenas uma redução correspondente na produção de energia.
2. Flexibilidade em relação à carga elétrica dos consumidores, diferencial, surto de carga.
3. Para a instalação e conexão de usinas termelétricas em células a combustível, sua implantação não requer investimentos de capital, pois As unidades são facilmente montadas em locais não preparados próximos aos campos, são fáceis de operar, confiáveis ​​e eficientes.
4. Alta automação e controle remoto moderno não exigem a presença constante de pessoal na planta.
5. Simplicidade e perfeição técnica do design: a ausência de partes móveis, fricção, sistemas de lubrificação proporciona benefícios econômicos significativos na operação de instalações de células de combustível.
6. Consumo de água: nulo a temperaturas ambiente até +30 °C e insignificante a temperaturas mais elevadas.
7. Saída de água: nenhuma.
8. Além disso, as usinas termelétricas a célula a combustível não fazem barulho, não vibram,

As células de combustível são uma maneira de converter eletroquimicamente a energia do combustível de hidrogênio em eletricidade, e o único subproduto desse processo é a água.

O combustível de hidrogênio atualmente usado em células de combustível é geralmente derivado da reforma a vapor do metano (ou seja, convertendo hidrocarbonetos com vapor e calor em metano), embora possa haver uma abordagem mais verde, como a eletrólise da água usando energia solar.

Os principais componentes de uma célula de combustível são:

• um ânodo no qual o hidrogênio é oxidado;
• cátodo, onde o oxigênio é reduzido;
• uma membrana eletrolítica de polímero através da qual prótons ou íons hidróxido são transportados (dependendo do meio) - não permite a passagem de hidrogênio e oxigênio;
• campos de fluxo de oxigênio e hidrogênio, que são responsáveis ​​pela entrega desses gases ao eletrodo.

Para alimentar, por exemplo, um carro, várias células de combustível são montadas em uma bateria, e a quantidade de energia fornecida por essa bateria depende da área total dos eletrodos e do número de células nela. A energia em uma célula de combustível é gerada da seguinte forma: o hidrogênio é oxidado no ânodo e os elétrons dele são enviados para o cátodo, onde o oxigênio é reduzido. Os elétrons obtidos da oxidação do hidrogênio no ânodo têm um potencial químico maior do que os elétrons que reduzem o oxigênio no cátodo. Essa diferença entre os potenciais químicos dos elétrons torna possível extrair energia das células a combustível.

História da criação

A história das células de combustível remonta à década de 1930, quando a primeira célula de combustível de hidrogênio foi projetada por William R. Grove. Esta célula usava ácido sulfúrico como eletrólito. Grove tentou depositar cobre de uma solução aquosa de sulfato de cobre em uma superfície de ferro. Ele notou que sob a ação de uma corrente de elétrons, a água se decompõe em hidrogênio e oxigênio. Após essa descoberta, Grove e Christian Schoenbein, químico da Universidade de Basel (Suíça), que trabalhou em paralelo com ele, demonstraram simultaneamente em 1839 a possibilidade de gerar energia em uma célula a combustível hidrogênio-oxigênio usando um eletrólito ácido. Essas primeiras tentativas, embora de natureza bastante primitiva, atraíram a atenção de vários de seus contemporâneos, incluindo Michael Faraday.

A pesquisa em células de combustível continuou e, na década de 1930, F.T. Bacon introduziu um novo componente para uma célula de combustível alcalina (um dos tipos de células de combustível) - uma membrana de troca iônica para facilitar o transporte de íons hidróxido.

Um dos exemplos históricos mais famosos do uso de células de combustível alcalinas é seu uso como principal fonte de energia durante os voos espaciais do programa Apollo.

Eles foram escolhidos pela NASA por sua durabilidade e estabilidade técnica. Eles usaram uma membrana condutora de hidróxido que era superior em eficiência à sua irmã de troca de prótons.

Por quase dois séculos desde a criação do primeiro protótipo de célula de combustível, muito trabalho foi feito para melhorá-los. Em geral, a energia final obtida de uma célula a combustível depende da cinética da reação redox, da resistência interna da célula e da transferência de massa dos gases e íons reagentes para os componentes cataliticamente ativos. Ao longo dos anos, muitas melhorias foram feitas à ideia original, como:

1) substituição dos fios de platina por eletrodos à base de carbono por nanopartículas de platina; 2) a invenção de membranas de alta condutividade e seletividade, como Nafion, para facilitar o transporte de íons; 3) combinar a camada catalítica, por exemplo, nanopartículas de platina, distribuídas sobre uma base de carbono, com membranas de troca iônica, resultando em uma unidade membrana-eletrodo com resistência interna mínima; 4) uso e otimização dos campos de fluxo para fornecer hidrogênio e oxigênio à superfície catalítica, em vez de diluí-los diretamente em solução.

Essas e outras melhorias acabaram resultando em uma tecnologia eficiente o suficiente para ser usada em veículos como o Toyota Mirai.

Células de combustível com membranas de troca de hidróxido

A Universidade de Delaware está realizando pesquisas sobre o desenvolvimento de células a combustível com membranas de troca de hidróxido - HEMFCs (células a combustível de membrana de troca de hidróxido). Células a combustível com membranas de troca de hidróxido em vez de membranas de troca de prótons - PEMFCs (células a combustível de membrana de troca de prótons) - enfrentam menos um dos grandes problemas das PEMFCs - o problema da estabilidade do catalisador, uma vez que muito mais catalisadores de metais básicos são estáveis ​​em um ambiente alcalino do que em um ácido. A estabilidade dos catalisadores em soluções alcalinas é maior devido ao fato de que a dissolução de metais libera mais energia em pH baixo do que em pH alto. A maior parte do trabalho neste laboratório também é dedicada ao desenvolvimento de novos catalisadores anódicos e catódicos para reações de oxidação de hidrogênio e redução de oxigênio para acelerá-las ainda mais eficientemente. Além disso, o laboratório está desenvolvendo novas membranas de troca de hidróxido, pois a condutividade e a durabilidade dessas membranas ainda precisam ser melhoradas para competir com as membranas de troca de prótons.

Procurar novos catalisadores

A razão para as perdas por sobretensão na reação de redução de oxigênio é explicada pelas relações de escala linear entre os produtos intermediários desta reação. No mecanismo tradicional de quatro elétrons dessa reação, o oxigênio é reduzido sequencialmente, criando produtos intermediários - OOH*, O* e OH*, para eventualmente formar água (H2O) na superfície catalítica. Uma vez que as energias de adsorção de produtos intermediários em um catalisador individual são altamente correlacionadas entre si, nenhum catalisador foi encontrado ainda que, pelo menos em teoria, não teria perdas por sobretensão. Embora a velocidade desta reação seja baixa, mudar de um meio ácido para um meio alcalino, como no HEMFC, não a afeta muito. No entanto, a velocidade da reação de oxidação do hidrogênio é quase reduzida pela metade, e esse fato motiva pesquisas voltadas para encontrar a causa dessa diminuição e a descoberta de novos catalisadores.

Vantagens das células de combustível

Ao contrário dos combustíveis de hidrocarbonetos, as células de combustível são mais, se não perfeitamente, amigas do ambiente e não produzem gases com efeito de estufa como resultado das suas atividades. Além disso, seu combustível (hidrogênio) é em princípio renovável, pois pode ser obtido por hidrólise da água. Assim, as células a combustível de hidrogênio no futuro prometem se tornar parte integrante do processo de produção de energia, em que a energia solar e eólica é usada para produzir combustível de hidrogênio, que é então usado em uma célula de combustível para produzir água. Assim, o ciclo é fechado e não resta pegada de carbono.

Ao contrário das baterias recarregáveis, as células de combustível têm a vantagem de não precisarem ser recarregadas - elas podem começar a fornecer energia imediatamente assim que necessário. Ou seja, se forem aplicadas, por exemplo, na área de veículos, quase não haverá mudanças por parte do consumidor. Ao contrário da energia solar e da energia eólica, as células de combustível podem produzir energia continuamente e são muito menos dependentes das condições externas. Por sua vez, a energia geotérmica está disponível apenas em determinadas áreas geográficas, enquanto as células de combustível novamente não apresentam esse problema.

As células a combustível de hidrogênio são uma das fontes de energia mais promissoras devido à sua portabilidade e flexibilidade em termos de escala.

Complexidade do armazenamento de hidrogênio

Além dos problemas com as deficiências das membranas e catalisadores atuais, outras dificuldades técnicas para as células a combustível estão associadas ao armazenamento e transporte do combustível hidrogênio. O hidrogênio tem uma energia específica muito baixa por unidade de volume (a quantidade de energia por unidade de volume a uma determinada temperatura e pressão) e, portanto, deve ser armazenado a uma pressão muito alta para ser usado em veículos. Caso contrário, o tamanho do recipiente para armazenar a quantidade necessária de combustível será impossivelmente grande. Devido a essas limitações de armazenamento de hidrogênio, foram feitas tentativas para encontrar maneiras de produzir hidrogênio a partir de algo diferente de sua forma gasosa, como em células de combustível de hidreto metálico. No entanto, as atuais aplicações de células de combustível de consumo, como o Toyota Mirai, usam hidrogênio supercrítico (hidrogênio que está em temperaturas acima de 33 K e pressões acima de 13,3 atmosferas, ou seja, acima de valores críticos), e esta é agora a opção mais conveniente.

Perspectivas da região

Devido às dificuldades técnicas existentes e problemas de obtenção de hidrogênio a partir de água usando energia solar, em um futuro próximo, a pesquisa provavelmente se concentrará principalmente na busca de fontes alternativas de hidrogênio. Uma ideia popular é usar amônia (nitreto de hidrogênio) diretamente na célula de combustível em vez de hidrogênio, ou fazer hidrogênio a partir de amônia. A razão para isso é que a amônia é menos exigente em termos de pressão, o que a torna mais conveniente para armazenar e movimentar. Além disso, a amônia é atraente como fonte de hidrogênio porque não contém carbono. Isso resolve o problema do envenenamento do catalisador devido a algum CO no hidrogênio produzido a partir do metano.

No futuro, as células a combustível poderão encontrar amplas aplicações na tecnologia veicular e na geração distribuída de energia, como em áreas residenciais. Apesar de no momento o uso de células a combustível como principal fonte de energia exigir muito dinheiro, se forem encontrados catalisadores mais baratos e eficientes, membranas estáveis ​​com alta condutividade e fontes alternativas de hidrogênio, as células a combustível de hidrogênio podem se tornar altamente economicamente atraente.

Uma célula de combustível é um dispositivo eletroquímico de conversão de energia que converte hidrogênio e oxigênio em eletricidade através de uma reação química. Como resultado deste processo, a água é formada e uma grande quantidade de calor é liberada. Uma célula de combustível é muito semelhante a uma bateria que pode ser carregada e usada para armazenar energia elétrica.
O inventor da célula de combustível é considerado William R. Grove, que a inventou em 1839. Nesta célula de combustível, uma solução de ácido sulfúrico foi usada como eletrólito, e hidrogênio foi usado como combustível, que combinado com oxigênio em meio oxidante. Deve-se notar que, até recentemente, as células de combustível eram usadas apenas em laboratórios e em naves espaciais.
No futuro, as células de combustível poderão competir com muitos outros sistemas de conversão de energia (incluindo turbinas a gás em usinas de energia), motores de combustão interna em carros e baterias elétricas em dispositivos portáteis. Os motores de combustão interna queimam combustível e usam a pressão criada pela expansão dos gases de combustão para realizar trabalho mecânico. As baterias armazenam energia elétrica e a convertem em energia química, que pode ser convertida novamente em energia elétrica, se necessário. Potencialmente, as células de combustível são muito eficientes. Em 1824, o cientista francês Carnot provou que os ciclos de compressão-expansão de um motor de combustão interna não podem garantir a eficiência de converter energia térmica (que é a energia química da queima de combustível) em energia mecânica acima de 50%. Uma célula de combustível não possui partes móveis (pelo menos não dentro da própria célula) e, portanto, elas não obedecem à lei de Carnot. Naturalmente, eles terão mais de 50% de eficiência e são especialmente eficazes em cargas baixas. Assim, os veículos com células de combustível estão prontos para serem (e já provaram ser) mais eficientes em termos de combustível do que os veículos convencionais em condições reais de condução.
A célula de combustível gera corrente elétrica DC que pode ser usada para acionar um motor elétrico, luminárias e outros sistemas elétricos em um veículo. Existem vários tipos de células de combustível, diferindo nos processos químicos utilizados. As células de combustível são geralmente classificadas pelo tipo de eletrólito que usam. Alguns tipos de células de combustível são promissores para aplicações em usinas de energia, enquanto outros podem ser úteis para pequenos dispositivos portáteis ou para dirigir carros.
A pilha de combustível alcalina é um dos primeiros elementos desenvolvidos. Eles têm sido usados ​​pelo programa espacial dos EUA desde a década de 1960. Essas células de combustível são muito suscetíveis à contaminação e, portanto, requerem hidrogênio e oxigênio muito puros. Além disso, eles são muito caros e, portanto, é improvável que esse tipo de célula de combustível encontre ampla aplicação em carros.
As células de combustível à base de ácido fosfórico podem ser utilizadas em instalações estacionárias de baixa potência. Eles operam em temperaturas bastante altas e, portanto, levam muito tempo para aquecer, o que também os torna ineficientes para uso em automóveis.
As células de combustível de óxido sólido são mais adequadas para grandes geradores estacionários de energia que podem fornecer eletricidade para fábricas ou comunidades. Este tipo de célula de combustível opera em temperaturas muito altas (cerca de 1000 °C). A alta temperatura de operação cria alguns problemas, mas, por outro lado, há a vantagem de que o vapor produzido pela célula a combustível pode ser enviado para turbinas para gerar mais eletricidade. No geral, isso melhora a eficiência geral do sistema.
Um dos sistemas mais promissores é a célula a combustível de membrana de troca de prótons - POMFC (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). No momento, esse tipo de célula a combustível é o mais promissor, pois pode impulsionar carros, ônibus e outros veículos.

Processos químicos em uma célula de combustível

As células de combustível usam um processo eletroquímico para combinar o hidrogênio com o oxigênio do ar. Como as baterias, as células de combustível usam eletrodos (condutores elétricos sólidos) em um eletrólito (um meio eletricamente condutor). Quando as moléculas de hidrogênio entram em contato com o eletrodo negativo (ânodo), este último é separado em prótons e elétrons. Os prótons passam pela membrana de troca de prótons (POM) para o eletrodo positivo (cátodo) da célula a combustível, produzindo eletricidade. Há uma combinação química de moléculas de hidrogênio e oxigênio com a formação de água, como subproduto dessa reação. O único tipo de emissões de uma célula de combustível é o vapor de água.
A eletricidade produzida pelas células de combustível pode ser usada no trem de força elétrico do veículo (composto por um conversor de energia elétrica e um motor de indução CA) para fornecer energia mecânica para impulsionar o veículo. A função do conversor de energia é converter a corrente contínua produzida pelas células a combustível em corrente alternada, que é utilizada pelo motor de tração do veículo.

Diagrama esquemático de uma célula de combustível com uma membrana de troca de prótons:
1 - ânodo;
2 - membrana de troca de prótons (REM);
3 - catalisador (vermelho);
4 - cátodo

A célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC) usa uma das reações mais simples de qualquer célula de combustível.

Célula de combustível separada

Considere como funciona uma célula de combustível. O ânodo, pólo negativo da célula a combustível, conduz os elétrons, que são liberados das moléculas de hidrogênio para que possam ser utilizados em um circuito elétrico externo (circuito). Para fazer isso, os canais são gravados nele, distribuindo o hidrogênio uniformemente por toda a superfície do catalisador. O cátodo (pólo positivo da célula a combustível) possui canais gravados que distribuem oxigênio sobre a superfície do catalisador. Ele também conduz elétrons de volta do circuito externo (circuito) para o catalisador, onde eles podem se combinar com íons de hidrogênio e oxigênio para formar água. O eletrólito é uma membrana de troca de prótons. Este é um material especial, semelhante ao plástico comum, mas com a capacidade de passar íons carregados positivamente e bloquear a passagem de elétrons.
Um catalisador é um material especial que facilita a reação entre oxigênio e hidrogênio. O catalisador geralmente é feito de pó de platina depositado em uma camada muito fina sobre papel carbono ou tecido. O catalisador deve ser áspero e poroso para que sua superfície possa entrar em contato o máximo possível com hidrogênio e oxigênio. O lado revestido de platina do catalisador está na frente da membrana de troca de prótons (POM).
O gás hidrogênio (H 2 ) é fornecido à célula de combustível sob pressão do lado do ânodo. Quando a molécula de H2 entra em contato com a platina no catalisador, ela se divide em duas partes, dois íons (H+) e dois elétrons (e–). Os elétrons são conduzidos através do ânodo, onde passam por um circuito externo (circuito) realizando trabalho útil (por exemplo, acionando um motor elétrico) e retornando do lado do cátodo da célula de combustível.
Enquanto isso, do lado do cátodo da célula de combustível, o gás oxigênio (O 2 ) é forçado através do catalisador onde forma dois átomos de oxigênio. Cada um desses átomos tem uma forte carga negativa que atrai dois íons H+ através da membrana, onde eles se combinam com um átomo de oxigênio e dois elétrons da alça externa (cadeia) para formar uma molécula de água (H 2 O).
Esta reação em uma única célula de combustível produz uma potência de aproximadamente 0,7 watts. Para aumentar a potência ao nível necessário, é necessário combinar muitas células de combustível individuais para formar uma pilha de células de combustível.
As células de combustível POM operam a uma temperatura relativamente baixa (cerca de 80°C), o que significa que podem ser aquecidas rapidamente até a temperatura de operação e não requerem sistemas de refrigeração caros. A melhoria contínua na tecnologia e nos materiais usados ​​nessas células aproximou seu poder de um nível em que uma bateria dessas células de combustível, ocupando uma pequena parte do porta-malas de um carro, pode fornecer a energia necessária para dirigir um carro.
Nos últimos anos, a maioria dos principais fabricantes de automóveis do mundo investiu pesadamente no desenvolvimento de projetos de carros usando células de combustível. Muitos já demonstraram veículos de célula de combustível com potência e características dinâmicas satisfatórias, embora fossem bastante caros.
Melhorar o design desses carros é muito intensivo.

Veículo de célula de combustível, usa uma usina localizada sob o piso do veículo

O veículo NECAR V é baseado no veículo Mercedes-Benz classe A, com toda a usina, juntamente com as células de combustível, localizadas sob o piso do veículo. Uma solução tão construtiva permite acomodar quatro passageiros e bagagem no carro. Aqui, não hidrogênio, mas metanol é usado como combustível para o carro. O metanol com a ajuda de um reformador (dispositivo que converte metanol em hidrogênio) é convertido em hidrogênio, necessário para alimentar a célula a combustível. O uso de um reformador a bordo de um carro possibilita o uso de quase qualquer hidrocarboneto como combustível, o que possibilita reabastecer um carro de célula de combustível usando a rede de postos de abastecimento existente. Teoricamente, as células de combustível não produzem nada além de eletricidade e água. Converter o combustível (gasolina ou metanol) para o hidrogênio necessário para a célula de combustível reduz um pouco o apelo ambiental de tal veículo.
A Honda, que está no negócio de células de combustível desde 1989, produziu um pequeno lote de veículos Honda FCX-V4 em 2003 com células de combustível do tipo membrana de troca de prótons da Ballard. Essas células a combustível geram 78 kW de energia elétrica, e motores de tração com potência de 60 kW e torque de 272 N m são usados ​​para acionar as rodas motrizes. até 355 km.

O Honda FCX usa energia de célula de combustível para se impulsionar.
O Honda FCX é o primeiro veículo de célula de combustível do mundo a receber a certificação do governo dos Estados Unidos. O carro é certificado ZEV - Zero Emission Vehicle (veículo zero poluição). A Honda ainda não vai vender esses carros, mas aluga cerca de 30 carros por unidade. Califórnia e Tóquio, onde já existe infraestrutura de abastecimento de hidrogênio.

O carro-conceito Hy Wire da General Motors tem uma usina de célula de combustível

Grandes pesquisas sobre o desenvolvimento e criação de veículos com células de combustível estão sendo conduzidas pela General Motors.

Chassi de Veículo Hy Wire

O carro-conceito GM Hy Wire recebeu 26 patentes. A base do carro é uma plataforma funcional com uma espessura de 150 mm. Dentro da plataforma estão cilindros de hidrogênio, uma usina de células de combustível e sistemas de controle de veículos usando a mais recente tecnologia eletrônica de controle por fio. O chassi do carro Hy Wire é uma plataforma fina que contém todos os principais elementos estruturais do carro: cilindros de hidrogênio, células de combustível, baterias, motores elétricos e sistemas de controle. Esta abordagem ao design permite a mudança da carroçaria do automóvel durante o funcionamento.A empresa também testa veículos experimentais com células de combustível da Opel e concebe uma fábrica de produção de células de combustível.

Projeto de um tanque de combustível "seguro" para hidrogênio liquefeito:
1 - dispositivo de enchimento;
2 - tanque externo;
3 - suportes;
4 - sensor de nível;
5 - tanque interno;
6 - linha de enchimento;
7 - isolamento e vácuo;
8 - aquecedor;
9 - caixa de montagem

O problema de usar hidrogênio como combustível para carros tem recebido muita atenção da BMW. Juntamente com Magna Steyer, conhecida por seu trabalho no uso de hidrogênio liquefeito em pesquisas espaciais, a BMW desenvolveu um tanque de combustível de hidrogênio liquefeito que pode ser usado em carros.

Testes confirmaram a segurança do uso de um tanque de combustível com hidrogênio líquido

A empresa realizou uma série de testes sobre a segurança da estrutura de acordo com métodos padrão e confirmou sua confiabilidade.
Em 2002, no Salão Automóvel de Frankfurt (Alemanha), foi apresentado o Mini Cooper Hydrogen, que utiliza hidrogênio liquefeito como combustível. O tanque de combustível deste carro ocupa o mesmo espaço que um tanque de gasolina convencional. O hidrogênio neste carro não é usado para células de combustível, mas como combustível para motores de combustão interna.

O primeiro carro produzido em massa do mundo com uma célula de combustível em vez de uma bateria

Em 2003, a BMW anunciou o lançamento do primeiro veículo de célula de combustível produzido em massa, o BMW 750 hL. Uma bateria de célula de combustível é usada em vez de uma bateria tradicional. Este carro possui um motor de combustão interna de 12 cilindros movido a hidrogênio, e a célula de combustível serve como alternativa a uma bateria convencional, permitindo que o ar condicionado e outros consumidores funcionem quando o carro fica muito tempo estacionado com o motor desligado.

O reabastecimento de hidrogênio é realizado por um robô, o motorista não está envolvido neste processo

A mesma empresa BMW também desenvolveu dispensadores de combustível robóticos que fornecem reabastecimento rápido e seguro de carros com hidrogênio liquefeito.
O surgimento nos últimos anos de um grande número de desenvolvimentos visando a criação de veículos com combustíveis alternativos e usinas alternativas indica que os motores de combustão interna, que dominaram os carros no século passado, acabarão dando lugar a designs mais limpos, eficientes e silenciosos. A sua utilização generalizada é actualmente travada não por problemas técnicos, mas sim económicos e sociais. Para seu uso generalizado, é necessário criar uma certa infraestrutura para o desenvolvimento da produção de combustíveis alternativos, a criação e distribuição de novos postos de gasolina e a superação de uma série de barreiras psicológicas. O uso de hidrogênio como combustível veicular exigirá que questões de armazenamento, entrega e distribuição sejam abordadas, com sérias medidas de segurança em vigor.
Teoricamente, o hidrogênio está disponível em quantidades ilimitadas, mas sua produção é muito intensiva em energia. Além disso, para que os carros funcionem com combustível de hidrogênio, duas grandes mudanças no sistema de energia devem ser feitas: primeiro, transferir sua operação da gasolina para o metanol e depois, por algum tempo, para o hidrogênio. Vai demorar algum tempo até que este problema seja resolvido.

Descrição:

Este artigo discute com mais detalhes sua estrutura, classificação, vantagens e desvantagens, escopo, eficiência, histórico de criação e perspectivas modernas de uso.

Usando células de combustível para alimentar edifícios

Parte 1

Este artigo discute com mais detalhes o princípio de funcionamento das células a combustível, seu design, classificação, vantagens e desvantagens, escopo, eficiência, histórico de criação e perspectivas modernas de uso. Na segunda parte do artigo, que será publicado na próxima edição da revista ABOK, traz exemplos de instalações onde vários tipos de células de combustível foram utilizadas como fontes de calor e eletricidade (ou apenas eletricidade).

Introdução

As células de combustível são uma maneira muito eficiente, confiável, durável e ecológica de gerar energia.

Inicialmente usadas apenas na indústria espacial, as células de combustível estão agora sendo cada vez mais usadas em uma variedade de áreas - como usinas de energia estacionárias, aquecimento e fornecimento de energia de edifícios, motores de veículos, fontes de alimentação para laptops e telefones celulares. Alguns desses dispositivos são protótipos de laboratório, alguns estão passando por testes de pré-série ou são usados ​​para fins de demonstração, mas muitos modelos são produzidos em massa e usados ​​em projetos comerciais.

Uma célula a combustível (gerador eletroquímico) é um dispositivo que converte a energia química de um combustível (hidrogênio) em energia elétrica durante uma reação eletroquímica diretamente, ao contrário das tecnologias tradicionais que utilizam a combustão de combustíveis sólidos, líquidos e gasosos. A conversão eletroquímica direta do combustível é muito eficiente e atrativa do ponto de vista ambiental, uma vez que a quantidade mínima de poluentes é liberada durante a operação e não há ruídos e vibrações fortes.

Do ponto de vista prático, uma célula de combustível se assemelha a uma bateria galvânica convencional. A diferença está no fato de que inicialmente a bateria está carregada, ou seja, cheia de “combustível”. Durante a operação, o "combustível" é consumido e a bateria é descarregada. Ao contrário de uma bateria, uma célula de combustível usa combustível fornecido por uma fonte externa para produzir energia elétrica (Fig. 1).

Para a produção de energia elétrica, pode ser utilizado não apenas o hidrogênio puro, mas também outras matérias-primas contendo hidrogênio, como gás natural, amônia, metanol ou gasolina. O ar comum é usado como fonte de oxigênio, que também é necessário para a reação.

Quando o hidrogênio puro é usado como combustível, os produtos da reação, além da energia elétrica, são calor e água (ou vapor de água), ou seja, não são emitidos gases na atmosfera que causem poluição do ar ou causem efeito estufa. Se uma matéria-prima contendo hidrogênio, como o gás natural, for usada como combustível, outros gases, como óxidos de carbono e nitrogênio, serão um subproduto da reação, mas sua quantidade é muito menor do que quando queima o mesmo. quantidade de gás natural.

O processo de conversão química do combustível para produzir hidrogênio é chamado de reforma, e o dispositivo correspondente é chamado de reformador.

Vantagens e desvantagens das células de combustível

As células de combustível são mais eficientes em termos energéticos do que os motores de combustão interna porque não há limitação termodinâmica na eficiência energética das células de combustível. A eficiência das células de combustível é de 50%, enquanto a eficiência dos motores de combustão interna é de 12 a 15%, e a eficiência das usinas de turbina a vapor não excede 40%. Ao usar calor e água, a eficiência das células de combustível aumenta ainda mais.

Ao contrário, por exemplo, dos motores de combustão interna, a eficiência das células de combustível permanece muito alta, mesmo quando não estão operando em potência máxima. Além disso, a potência das células de combustível pode ser aumentada simplesmente adicionando blocos separados, enquanto a eficiência não muda, ou seja, grandes instalações são tão eficientes quanto as pequenas. Essas circunstâncias permitem uma seleção muito flexível da composição do equipamento de acordo com os desejos do cliente e, em última análise, levam a uma redução nos custos do equipamento.

Uma vantagem importante das células de combustível é a sua compatibilidade ambiental. As emissões atmosféricas das células de combustível são tão baixas que, em algumas áreas dos Estados Unidos, elas não exigem licenças especiais das agências governamentais de qualidade do ar.

As células de combustível podem ser colocadas diretamente no edifício, reduzindo assim as perdas durante o transporte de energia, e o calor gerado pela reação pode ser utilizado para fornecer calor ou água quente ao edifício. As fontes autónomas de fornecimento de calor e energia podem ser muito benéficas em áreas remotas e em regiões caracterizadas pela escassez de eletricidade e pelo seu elevado custo, mas ao mesmo tempo existem reservas de matérias-primas contendo hidrogénio (petróleo, gás natural) .

As vantagens das células de combustível também são a disponibilidade de combustível, confiabilidade (não há partes móveis na célula de combustível), durabilidade e facilidade de operação.

Uma das principais deficiências das células a combustível hoje é seu custo relativamente alto, mas essa deficiência pode ser superada em breve - mais e mais empresas produzem amostras comerciais de células a combustível, elas estão sendo constantemente aprimoradas e seu custo está diminuindo.

O uso mais eficiente do hidrogênio puro como combustível, no entanto, exigirá a criação de uma infraestrutura especial para sua produção e transporte. Atualmente, todos os projetos comerciais utilizam gás natural e combustíveis similares. Os veículos automotores podem utilizar gasolina comum, o que permitirá manter a rede desenvolvida de postos de gasolina já existente. No entanto, o uso desse combustível leva a emissões nocivas para a atmosfera (embora muito baixas) e complica (e, portanto, aumenta o custo) da célula de combustível. No futuro, está sendo considerada a possibilidade de usar fontes de energia renováveis ​​ecologicamente corretas (por exemplo, energia solar ou energia eólica) para decompor a água em hidrogênio e oxigênio por eletrólise e depois converter o combustível resultante em uma célula de combustível. Essas usinas combinadas operando em um ciclo fechado podem ser uma fonte de energia totalmente ecológica, confiável, durável e eficiente.

Outra característica das células de combustível é que elas são mais eficientes ao usar energia elétrica e térmica ao mesmo tempo. No entanto, a possibilidade de utilização de energia térmica não está disponível em todas as instalações. No caso de utilizar células a combustível apenas para geração de energia elétrica, sua eficiência diminui, embora supere a eficiência das instalações “tradicionais”.

História e usos modernos de células de combustível

O princípio de funcionamento das células de combustível foi descoberto em 1839. O cientista inglês William Robert Grove (1811-1896) descobriu que o processo de eletrólise - a decomposição da água em hidrogênio e oxigênio por meio de uma corrente elétrica - é reversível, ou seja, hidrogênio e oxigênio podem ser combinados em moléculas de água sem queimar, mas com a liberação de calor e corrente elétrica. Grove chamou o dispositivo no qual essa reação foi realizada de "bateria de gás", que foi a primeira célula de combustível.

O desenvolvimento ativo de tecnologias de células de combustível começou após a Segunda Guerra Mundial e está associado à indústria aeroespacial. Naquela época, foram realizadas buscas por uma fonte de energia eficiente e confiável, mas ao mesmo tempo bastante compacta. Na década de 1960, especialistas da NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) escolheram as células de combustível como fonte de energia para as naves espaciais dos programas Apollo (voos tripulados à Lua), Apollo-Soyuz, Gemini e Skylab. A Apollo usou três unidades de 1,5 kW (potência de pico de 2,2 kW) usando hidrogênio e oxigênio criogênicos para produzir eletricidade, calor e água. A massa de cada instalação foi de 113 kg. Essas três células funcionaram em paralelo, mas a energia gerada por uma unidade foi suficiente para um retorno seguro. Durante 18 voos, as células de combustível acumularam um total de 10.000 horas sem falhas. Atualmente, as células de combustível são utilizadas no ônibus espacial "Space Shuttle", que utiliza três unidades com potência de 12 W, que geram toda a energia elétrica a bordo da espaçonave (Fig. 2). A água obtida como resultado de uma reação eletroquímica é usada como água potável, bem como para equipamentos de refrigeração.

Em nosso país, também estava em andamento o trabalho de criação de células de combustível para uso em astronáutica. Por exemplo, células de combustível foram usadas para alimentar o ônibus espacial soviético Buran.

O desenvolvimento de métodos para o uso comercial de células a combustível começou em meados da década de 1960. Esses desenvolvimentos foram parcialmente financiados por organizações governamentais.

Atualmente, o desenvolvimento de tecnologias para o uso de células a combustível caminha em várias direções. Trata-se da criação de usinas estacionárias em células de combustível (tanto para fornecimento de energia centralizado quanto descentralizado), usinas de veículos (amostras de carros e ônibus em células de combustível foram criadas, inclusive em nosso país) (Fig. 3) e também fontes de alimentação para vários dispositivos móveis (laptops, telefones celulares, etc.) (Fig. 4).

Exemplos do uso de células de combustível em vários campos são dados na Tabela. 1.

Um dos primeiros modelos comerciais de células de combustível projetados para aquecimento autônomo e fornecimento de energia de edifícios foi o PC25 Modelo A fabricado pela ONSI Corporation (agora United Technologies, Inc.). Esta célula de combustível com potência nominal de 200 kW pertence ao tipo de células com eletrólito à base de ácido fosfórico (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). O número "25" no nome do modelo significa o número de série do design. A maioria dos modelos anteriores eram peças experimentais ou de teste, como o modelo "PC11" de 12,5 kW que apareceu na década de 1970. Os novos modelos aumentaram a potência retirada de uma única célula de combustível e também reduziram o custo por quilowatt de energia produzida. Atualmente, um dos modelos comerciais mais eficientes é a célula a combustível PC25 Modelo C. Como o modelo “A”, esta é uma célula de combustível tipo PAFC de 200 kW totalmente automática projetada para instalação diretamente no objeto de serviço como fonte independente de calor e eletricidade. Essa célula de combustível pode ser instalada fora do edifício. Externamente, é um paralelepípedo com 5,5 m de comprimento, 3 m de largura e 3 m de altura, pesando 18.140 kg. A diferença dos modelos anteriores é um reformador aprimorado e uma densidade de corrente mais alta.

tabela 1 Escopo das células de combustível

Região formulários Classificado potência Exemplos de uso Estacionário instalações 5–250 kW e acima de Fontes autónomas de calor e energia para edifícios residenciais, públicos e industriais, fontes de alimentação ininterruptas, fontes de alimentação de reserva e de emergência Portátil instalações 1–50 kW Sinais de trânsito, caminhões refrigerados e ferrovias, cadeiras de rodas, carrinhos de golfe, naves espaciais e satélites Móvel instalações 25–150 kW Carros (protótipos foram criados, por exemplo, pela DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), ônibus (por exemplo, MAN, Neoplan, Renault) e outros veículos, navios de guerra e submarinos Microdispositivos 1-500 W Telefones celulares, laptops, PDAs, vários dispositivos eletrônicos de consumo, dispositivos militares modernos

Em alguns tipos de células a combustível, o processo químico pode ser revertido: aplicando uma diferença de potencial aos eletrodos, a água pode ser decomposta em hidrogênio e oxigênio, que são coletados em eletrodos porosos. Quando uma carga é conectada, essa célula de combustível regenerativa começará a gerar energia elétrica.

Uma direção promissora para o uso de células a combustível é seu uso em conjunto com fontes de energia renováveis, como painéis fotovoltaicos ou turbinas eólicas. Esta tecnologia permite evitar completamente a poluição do ar. Um sistema semelhante está planejado para ser criado, por exemplo, no Adam Joseph Lewis Training Center em Oberlin (ver ABOK, 2002, No. 5, p. 10). Atualmente, os painéis solares são utilizados como uma das fontes de energia neste edifício. Juntamente com especialistas da NASA, foi desenvolvido um projeto para usar painéis fotovoltaicos para produzir hidrogênio e oxigênio a partir da água por eletrólise. O hidrogênio é então usado em células de combustível para gerar energia elétrica e água quente. Isso permitirá que o edifício mantenha o desempenho de todos os sistemas durante os dias nublados e à noite.

O princípio de funcionamento das células de combustível

Consideremos o princípio de funcionamento de uma célula a combustível usando o elemento mais simples com uma membrana de troca de prótons (Proton Exchange Membrane, PEM) como exemplo. Tal elemento consiste em uma membrana de polímero colocada entre o ânodo (eletrodo positivo) e o cátodo (eletrodo negativo) juntamente com os catalisadores de ânodo e cátodo. Uma membrana de polímero é usada como eletrólito. O diagrama do elemento PEM é mostrado na fig. 5.

Uma membrana de troca de prótons (PEM) é um composto orgânico sólido fino (aproximadamente 2-7 folhas de papel comum de espessura). Esta membrana funciona como um eletrólito: separa a matéria em íons carregados positivamente e negativamente na presença de água.

Um processo oxidativo ocorre no ânodo e um processo de redução ocorre no cátodo. O ânodo e o cátodo na célula PEM são feitos de um material poroso, que é uma mistura de partículas de carbono e platina. A platina atua como um catalisador que promove a reação de dissociação. O ânodo e o cátodo são porosos para a passagem livre de hidrogênio e oxigênio através deles, respectivamente.

O ânodo e o cátodo são colocados entre duas placas de metal, que fornecem hidrogênio e oxigênio ao ânodo e ao cátodo e removem calor e água, bem como energia elétrica.

As moléculas de hidrogênio passam pelos canais da placa para o ânodo, onde as moléculas se decompõem em átomos individuais (Fig. 6).

	Figura 5 () Diagrama esquemático de uma célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEM)
	Figura 6 () Moléculas de hidrogênio através dos canais na placa entram no ânodo, onde as moléculas são decompostas em átomos individuais
	Figura 7 () Como resultado da quimissorção na presença de um catalisador, os átomos de hidrogênio são convertidos em prótons.
	Figura 8 () Íons de hidrogênio carregados positivamente se difundem através da membrana para o cátodo, e o fluxo de elétrons é direcionado para o cátodo através de um circuito elétrico externo ao qual a carga está conectada.
	Figura 9 () O oxigênio fornecido ao cátodo, na presença de um catalisador, entra em uma reação química com íons de hidrogênio da membrana de troca de prótons e elétrons do circuito elétrico externo. A água é formada como resultado de uma reação química

Então, como resultado da quimissorção na presença de um catalisador, os átomos de hidrogênio, cada um doando um elétron e-, são convertidos em íons de hidrogênio carregados positivamente H+, isto é, prótons (Fig. 7).

Íons de hidrogênio carregados positivamente (prótons) se difundem através da membrana até o cátodo, e o fluxo de elétrons é direcionado ao cátodo através de um circuito elétrico externo ao qual a carga (consumidor de energia elétrica) está conectada (Fig. 8).

O oxigênio fornecido ao cátodo, na presença de um catalisador, entra em uma reação química com íons de hidrogênio (prótons) da membrana de troca de prótons e elétrons do circuito elétrico externo (Fig. 9). Como resultado de uma reação química, a água é formada.

A reação química em uma célula a combustível de outros tipos (por exemplo, com um eletrólito ácido, que é uma solução de ácido fosfórico H 3 PO 4) é absolutamente idêntica à reação química em uma célula a combustível com membrana de troca de prótons.

Em qualquer célula de combustível, parte da energia de uma reação química é liberada na forma de calor.

O fluxo de elétrons em um circuito externo é uma corrente contínua que é usada para realizar trabalho. Abrir o circuito externo ou interromper o movimento dos íons de hidrogênio interrompe a reação química.

A quantidade de energia elétrica produzida por uma célula de combustível depende do tipo de célula de combustível, dimensões geométricas, temperatura, pressão do gás. Uma única célula de combustível fornece uma CEM inferior a 1,16 V. É possível aumentar o tamanho das células de combustível, mas na prática são utilizadas várias células, ligadas em baterias (Fig. 10).

Dispositivo de célula de combustível

Vamos considerar o dispositivo de célula de combustível no exemplo do modelo PC25 Modelo C. O esquema da célula de combustível é mostrado na fig. onze.

A célula de combustível "PC25 Modelo C" consiste em três partes principais: o processador de combustível, a seção de geração de energia real e o conversor de tensão.

A parte principal da célula de combustível - a seção de geração de energia - é uma pilha composta por 256 células de combustível individuais. A composição dos eletrodos de célula de combustível inclui um catalisador de platina. Através dessas células, uma corrente elétrica direta de 1.400 amperes é gerada a uma tensão de 155 volts. As dimensões da bateria são aproximadamente 2,9 m de comprimento e 0,9 m de largura e altura.

Como o processo eletroquímico ocorre a uma temperatura de 177 ° C, é necessário aquecer a bateria no momento da inicialização e remover o calor durante a operação. Para fazer isso, a célula de combustível inclui um circuito de água separado e a bateria é equipada com placas de resfriamento especiais.

O processador de combustível permite converter gás natural em hidrogênio, o que é necessário para uma reação eletroquímica. Esse processo é chamado de reforma. O principal elemento do processador de combustível é o reformador. No reformador, o gás natural (ou outro combustível contendo hidrogênio) reage com vapor em alta temperatura (900°C) e alta pressão na presença de um catalisador de níquel. Ocorrem as seguintes reações químicas:

CH 4 (metano) + H 2 O 3H 2 + CO

(reação endotérmica, com absorção de calor);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(a reação é exotérmica, com liberação de calor).

A reação global é expressa pela equação:

CH 4 (metano) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(reação endotérmica, com absorção de calor).

Para fornecer a alta temperatura necessária para a conversão do gás natural, uma parte do combustível irradiado da pilha de células de combustível é enviada para um queimador que mantém o reformador na temperatura desejada.

O vapor necessário para a reforma é gerado a partir do condensado formado durante a operação da célula a combustível. Neste caso, é utilizado o calor retirado da pilha de células de combustível (Fig. 12).

A pilha de células de combustível gera uma corrente contínua intermitente, caracterizada por baixa tensão e alta corrente. Um conversor de tensão é usado para convertê-lo em CA padrão industrial. Além disso, a unidade conversora de tensão inclui vários dispositivos de controle e circuitos de intertravamento de segurança que permitem desligar a célula de combustível em caso de várias falhas.

Em tal célula de combustível, aproximadamente 40% da energia do combustível pode ser convertida em energia elétrica. Aproximadamente a mesma quantidade, cerca de 40% da energia do combustível, pode ser convertida em, que é então usada como fonte de calor para aquecimento, abastecimento de água quente e fins semelhantes. Assim, a eficiência total de tal planta pode chegar a 80%.

Uma vantagem importante de tal fonte de calor e eletricidade é a possibilidade de sua operação automática. Para manutenção, os proprietários da instalação em que a célula de combustível está instalada não precisam manter pessoal especialmente treinado - a manutenção periódica pode ser realizada por funcionários da organização operacional.

Tipos de células de combustível

Atualmente, são conhecidos vários tipos de células a combustível, que diferem na composição do eletrólito utilizado. Os quatro tipos a seguir são os mais difundidos (Tabela 2):

1. Células de combustível com membrana de troca de prótons (Células de combustível de membrana de troca de prótons, PEMFC).

2. Células de combustível baseadas em ácido ortofosfórico (fosfórico) (Células de Combustível de Ácido Fosfórico, PAFC).

3. Células de combustível baseadas em carbonato fundido (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Células de combustível de óxido sólido (Células de combustível de óxido sólido, SOFC). Atualmente, a maior frota de células de combustível é construída com base na tecnologia PAFC.

Uma das principais características dos diferentes tipos de células de combustível é a temperatura de operação. De muitas maneiras, é a temperatura que determina o escopo das células de combustível. Por exemplo, altas temperaturas são críticas para laptops, então células de combustível de membrana de troca de prótons com baixas temperaturas operacionais estão sendo desenvolvidas para este segmento de mercado.

Para o fornecimento autónomo de energia dos edifícios são necessárias células de combustível de elevada capacidade instalada e, ao mesmo tempo, é possível utilizar energia térmica, pelo que também podem ser utilizadas células de combustível de outros tipos para estes fins.

Células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC)

Essas células de combustível operam em temperaturas operacionais relativamente baixas (60-160°C). Eles são caracterizados por alta densidade de potência, permitem ajustar rapidamente a potência de saída e podem ser ativados rapidamente. A desvantagem deste tipo de elementos são os elevados requisitos de qualidade do combustível, uma vez que o combustível contaminado pode danificar a membrana. A potência nominal das células de combustível deste tipo é de 1-100 kW.

As células de combustível de membrana de troca de prótons foram originalmente desenvolvidas pela General Electric Corporation na década de 1960 para a NASA. Este tipo de célula de combustível usa um eletrólito de polímero de estado sólido chamado Proton Exchange Membrane (PEM). Os prótons podem se mover através da membrana de troca de prótons, mas os elétrons não podem atravessá-la, resultando em uma diferença de potencial entre o cátodo e o ânodo. Devido à sua simplicidade e confiabilidade, essas células de combustível foram usadas como fonte de energia na espaçonave tripulada Gemini.

Esse tipo de célula a combustível é usado como fonte de energia para uma ampla variedade de dispositivos, incluindo protótipos e protótipos, desde telefones celulares até ônibus e sistemas de energia estacionários. A baixa temperatura de operação permite que essas células sejam usadas para alimentar vários tipos de dispositivos eletrônicos complexos. Menos eficiente é a sua utilização como fonte de calor e fornecimento de energia para edifícios públicos e industriais, onde são necessárias grandes quantidades de energia térmica. Ao mesmo tempo, tais elementos são promissores como fonte autônoma de fornecimento de energia para pequenos edifícios residenciais, como chalés construídos em regiões de clima quente.

mesa 2 Tipos de células de combustível

Tipo de item trabalhadores temperatura, °C saída de eficiência elétrico energia), % Total Eficiência, % Células de combustível com membrana de troca de prótons (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 células de combustível à base de ortofosfórico ácido (fosfórico) (PAFC) 150–200 35 70–80 Com base em células de combustível carbonato fundido (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Óxido de estado sólido células de combustível (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Células Combustíveis de Ácido Fosfórico (PAFC)

Testes de células de combustível desse tipo já foram realizados no início da década de 1970. Faixa de temperatura de operação - 150-200 °C. A principal área de aplicação são as fontes autônomas de calor e fornecimento de energia de média potência (cerca de 200 kW).

O eletrólito usado nessas células a combustível é uma solução de ácido fosfórico. Os eletrodos são feitos de papel revestido com carbono, no qual está disperso um catalisador de platina.

A eficiência elétrica das células de combustível PAFC é de 37-42%. No entanto, como essas células a combustível operam a uma temperatura suficientemente alta, é possível utilizar o vapor gerado como resultado da operação. Neste caso, a eficiência global pode chegar a 80%.

Para gerar energia, a matéria-prima contendo hidrogênio deve ser convertida em hidrogênio puro por meio de um processo de reforma. Por exemplo, se a gasolina for usada como combustível, os compostos de enxofre devem ser removidos, pois o enxofre pode danificar o catalisador de platina.

As células de combustível PAFC foram as primeiras células de combustível comerciais a serem economicamente justificadas. O modelo mais comum era a célula de combustível PC25 de 200 kW fabricada pela ONSI Corporation (agora United Technologies, Inc.) (Fig. 13). Por exemplo, esses elementos são usados ​​como fonte de calor e eletricidade em uma delegacia de polícia no Central Park de Nova York ou como fonte adicional de energia para o Edifício Conde Nast e Four Times Square. A maior usina desse tipo está sendo testada como uma usina de 11 MW localizada no Japão.

As células de combustível à base de ácido fosfórico também são usadas como fonte de energia em veículos. Por exemplo, em 1994, a H-Power Corp., a Universidade de Georgetown e o Departamento de Energia dos EUA equiparam um ônibus com uma usina de 50 kW.

Células de combustível de carbonato fundido (MCFC)

As células de combustível deste tipo operam a temperaturas muito altas - 600-700 °C. Essas temperaturas de operação permitem que o combustível seja utilizado diretamente na própria célula, sem a necessidade de um reformador separado. Este processo é chamado de "reforma interna". Permite simplificar significativamente o design da célula de combustível.

As células de combustível baseadas em carbonato fundido requerem um tempo de inicialização significativo e não permitem ajustar rapidamente a potência de saída, portanto, sua principal área de aplicação são grandes fontes estacionárias de calor e eletricidade. No entanto, eles se distinguem pela alta eficiência de conversão de combustível - 60% de eficiência elétrica e até 85% de eficiência geral.

Neste tipo de célula a combustível, o eletrólito consiste em carbonato de potássio e sais de carbonato de lítio aquecidos a cerca de 650°C. Nessas condições, os sais estão em estado fundido, formando um eletrólito. No ânodo, o hidrogênio interage com os íons CO 3, formando água, dióxido de carbono e liberando elétrons que são enviados para o circuito externo, e no cátodo, o oxigênio interage com o dióxido de carbono e os elétrons do circuito externo, formando novamente os íons CO 3 .

Amostras de laboratório de células de combustível desse tipo foram criadas no final da década de 1950 pelos cientistas holandeses G. H. J. Broers e J. A. A. Ketelaar. Na década de 1960, o engenheiro Francis T. Bacon, descendente de um famoso escritor e cientista inglês do século XVII, trabalhou com esses elementos, razão pela qual as células de combustível MCFC são às vezes chamadas de elementos Bacon. Os programas Apollo, Apollo-Soyuz e Scylab da NASA usavam exatamente essas células de combustível como fonte de energia (Fig. 14). Nos mesmos anos, o departamento militar dos EUA testou várias amostras de células de combustível MCFC fabricadas pela Texas Instruments, nas quais a gasolina do exército foi usada como combustível. Em meados da década de 1970, o Departamento de Energia dos EUA iniciou pesquisas para desenvolver uma célula de combustível de carbonato fundido estacionária adequada para aplicações práticas. Na década de 1990, várias unidades comerciais de até 250 kW foram colocadas em operação, como na Estação Aérea Naval dos EUA Miramar, na Califórnia. Em 1996, a FuelCell Energy, Inc. encomendou uma planta pré-série de 2 MW em Santa Clara, Califórnia.

Células de combustível de óxido de estado sólido (SOFC)

As células de combustível de óxido de estado sólido são simples em design e operam em temperaturas muito altas - 700-1000 °C. Essas altas temperaturas permitem o uso de combustível não refinado relativamente "sujo". As mesmas características das células de combustível baseadas em carbonato fundido determinam uma área de aplicação semelhante - grandes fontes estacionárias de calor e eletricidade.

As células a combustível de óxido sólido são estruturalmente diferentes das células a combustível baseadas nas tecnologias PAFC e MCFC. O ânodo, cátodo e eletrólito são feitos de cerâmicas especiais. Na maioria das vezes, uma mistura de óxido de zircônio e óxido de cálcio é usada como eletrólito, mas outros óxidos podem ser usados. O eletrólito forma uma rede cristalina revestida em ambos os lados com um material de eletrodo poroso. Estruturalmente, tais elementos são feitos na forma de tubos ou placas planas, o que possibilita a utilização de tecnologias amplamente utilizadas na indústria eletrônica em sua fabricação. Como resultado, as células a combustível de óxido de estado sólido podem operar em temperaturas muito altas, tornando-as vantajosas para a geração de energia elétrica e térmica.

Em altas temperaturas de operação, íons de oxigênio são formados no cátodo, que migram através da rede cristalina até o ânodo, onde interagem com íons de hidrogênio, formando água e liberando elétrons livres. Neste caso, o hidrogênio é liberado do gás natural diretamente na célula, ou seja, não há necessidade de um reformador separado.

As bases teóricas para a criação de células de combustível de óxido de estado sólido foram lançadas no final da década de 1930, quando os cientistas suíços Bauer (Emil Bauer) e Preis (H. Preis) experimentaram zircônio, ítrio, cério, lantânio e tungstênio, usando-os como eletrólitos.

Os primeiros protótipos dessas células de combustível foram criados no final da década de 1950 por várias empresas americanas e holandesas. A maioria dessas empresas logo abandonou mais pesquisas devido a dificuldades tecnológicas, mas uma delas, a Westinghouse Electric Corp. (agora "Siemens Westinghouse Power Corporation"), continuou o trabalho. A empresa está aceitando pré-encomendas para um modelo comercial de célula a combustível de óxido sólido de topologia tubular prevista para este ano (Figura 15). O segmento de mercado desses elementos são as instalações fixas para produção de calor e energia elétrica com capacidade de 250 kW a 5 MW.

As células de combustível do tipo SOFC têm demonstrado confiabilidade muito alta. Por exemplo, um protótipo de célula de combustível da Siemens Westinghouse registrou 16.600 horas e continua a operar, tornando-se a mais longa vida contínua de célula de combustível do mundo.

O modo de operação de alta temperatura e alta pressão das células de combustível SOFC permite a criação de plantas híbridas, nas quais as emissões das células de combustível acionam as turbinas a gás usadas para gerar eletricidade. A primeira planta híbrida está em operação em Irvine, Califórnia. A potência nominal desta usina é de 220 kW, sendo 200 kW da célula a combustível e 20 kW do gerador de microturbina.

Ninguém ficará surpreso com painéis solares ou moinhos de vento, que geram eletricidade em todas as regiões do mundo. Mas a saída desses dispositivos não é constante e é necessário instalar fontes de energia de backup ou conectar-se à rede para receber eletricidade durante o período em que as instalações de energia renovável não geram eletricidade. No entanto, existem usinas desenvolvidas no século XIX que utilizam combustíveis "alternativos" para gerar eletricidade, ou seja, não queimam gás ou derivados de petróleo. Tais instalações são células de combustível.

HISTÓRIA DA CRIAÇÃO

As células de combustível (FC) ou células de combustível foram descobertas já em 1838-1839 por William Grove (Grow, Grove) quando estudava a eletrólise da água.

Referência: A eletrólise da água é o processo de decomposição da água sob a ação de uma corrente elétrica em moléculas de hidrogênio e oxigênio.

Desconectando a bateria da célula eletrolítica, ele ficou surpreso ao descobrir que os eletrodos começaram a absorver o gás liberado e gerar corrente. A descoberta do processo de combustão eletroquímica "a frio" do hidrogênio tornou-se um evento significativo na indústria de energia. Mais tarde, ele criou o acumulador Grove. Este dispositivo possuía um eletrodo de platina imerso em ácido nítrico e um eletrodo de zinco em sulfato de zinco. Gerou uma corrente de 12 amperes e uma tensão de 8 volts. O próprio Grow chamou essa construção "bateria molhada". Ele então criou uma bateria usando dois eletrodos de platina. Uma extremidade de cada eletrodo estava em ácido sulfúrico, enquanto as outras extremidades eram seladas em recipientes de hidrogênio e oxigênio. Houve uma corrente estável entre os eletrodos e a quantidade de água dentro dos recipientes aumentou. Grow foi capaz de decompor e melhorar a água neste dispositivo.

"Bateria do Crescer"

(fonte: Royal Society of the National Museum of Natural History)

O termo "célula de combustível" (em inglês "Fuel Cell") apareceu apenas em 1889 por L. Mond e
Ch. Langer, que tentou criar um dispositivo para gerar eletricidade a partir do ar e do gás de carvão.

COMO FUNCIONA?

A célula de combustível é um dispositivo relativamente simples. Possui dois eletrodos: um ânodo (eletrodo negativo) e um cátodo (eletrodo positivo). Uma reação química ocorre nos eletrodos. Para acelerar, a superfície dos eletrodos é revestida com um catalisador. As células de combustível são equipadas com mais um elemento - uma membrana. A conversão da energia química do combustível diretamente em eletricidade ocorre devido ao trabalho da membrana. Ele separa as duas câmaras do elemento em que o combustível e o oxidante são fornecidos. A membrana permite que apenas prótons, que são obtidos como resultado da divisão do combustível, passem de uma câmara para outra em um eletrodo revestido com um catalisador (os elétrons passam então pelo circuito externo). Na segunda câmara, prótons se recombinam com elétrons (e átomos de oxigênio) para formar água.

Princípio de funcionamento de uma célula de combustível de hidrogênio

No nível químico, o processo de conversão da energia do combustível em energia elétrica é semelhante ao processo usual de combustão (oxidação).

Durante a combustão normal em oxigênio, o combustível orgânico é oxidado e a energia química do combustível é convertida em energia térmica. Vamos ver o que acontece quando o hidrogênio é oxidado pelo oxigênio em um meio eletrolítico e na presença de eletrodos.

Ao fornecer hidrogênio a um eletrodo localizado em um ambiente alcalino, ocorre uma reação química:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Como você pode ver, obtemos elétrons, que, passando pelo circuito externo, entram no eletrodo oposto, ao qual entra o oxigênio e onde ocorre a reação:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Pode-se ver que a reação resultante 2H 2 + O 2 → H 2 O é a mesma que na combustão convencional, mas a célula de combustível gera eletricidade e algum calor.

TIPOS DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL

O FC é classificado de acordo com o tipo de eletrólito usado para a reação:

Deve-se notar que carvão, monóxido de carbono, álcoois, hidrazina e outras substâncias orgânicas também podem ser usados ​​como combustível em células de combustível, e ar, peróxido de hidrogênio, cloro, bromo, ácido nítrico, etc. podem ser usados ​​como agentes oxidantes.

Eficiência da CÉLULA DE COMBUSTÍVEL

Uma característica das células de combustível é sem limite rígido de eficiência como uma máquina térmica.

Ajuda: eficiênciaCiclo de Carnot é a eficiência máxima possível entre todos os motores térmicos com as mesmas temperaturas mínima e máxima.

Portanto, a eficiência das células de combustível em teoria pode ser superior a 100%. Muitos sorriram e pensaram: "A máquina de movimento perpétuo foi inventada." Não, vale a pena voltar para o curso de química da escola. A célula a combustível é baseada na conversão de energia química em energia elétrica. É aqui que os milagres acontecem. Certas reações químicas no processo podem absorver calor do ambiente.

Referência: As reações endotérmicas são reações químicas acompanhadas pela absorção de calor. Para reações endotérmicas, a variação de entalpia e energia interna têm valores positivos (Δ H >0, Δ você >0), assim, os produtos da reação contêm mais energia do que os componentes originais.

Um exemplo de tal reação é a oxidação do hidrogênio, que é usado na maioria das células a combustível. Portanto, teoricamente, a eficiência pode ser superior a 100%. Mas hoje, as células de combustível aquecem durante a operação e não podem absorver o calor do ambiente.

Referência: Esta limitação é imposta pela segunda lei da termodinâmica. O processo de transferência de calor de um corpo "frio" para um "quente" não é possível.

Além disso, há perdas associadas a processos de não equilíbrio. Tais como: perdas ôhmicas devido à condutividade específica do eletrólito e eletrodos, polarização de ativação e concentração, perdas por difusão. Como resultado, parte da energia gerada nas células de combustível é convertida em calor. Portanto, as células de combustível não são máquinas de movimento perpétuo e sua eficiência é inferior a 100%. Mas sua eficiência é maior do que a de outras máquinas. Hoje eficiência da célula de combustível atinge 80%.

Referência: Nos anos 40, o engenheiro inglês T. Bacon projetou e construiu uma bateria de célula a combustível com potência total de 6 kW e eficiência de 80%, operando com hidrogênio e oxigênio puros, mas a relação potência/peso da bateria virou por serem muito pequenas - tais células eram inadequadas para uso prático e muito caras (fonte: http://www.powerinfo.ru/).

PROBLEMAS DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL

Quase todas as células de combustível usam hidrogênio como combustível, então a pergunta lógica é: “Onde posso obtê-lo?”

Parece que uma célula de combustível foi descoberta como resultado da eletrólise, então você pode usar o hidrogênio liberado como resultado da eletrólise. Mas vamos dar uma olhada neste processo.

De acordo com a lei de Faraday: a quantidade de uma substância que é oxidada no ânodo ou reduzida no cátodo é proporcional à quantidade de eletricidade que passou pelo eletrólito. Isso significa que para obter mais hidrogênio, você precisa gastar mais eletricidade. Os métodos existentes de eletrólise da água funcionam com eficiência menor que a unidade. Em seguida, usamos o hidrogênio resultante em células de combustível, onde a eficiência também é menor que a unidade. Portanto, gastaremos mais energia do que podemos produzir.

Obviamente, o hidrogênio derivado do gás natural também pode ser usado. Este método de produção de hidrogênio continua sendo o mais barato e popular. Atualmente, cerca de 50% do hidrogênio produzido no mundo é obtido a partir do gás natural. Mas há um problema com o armazenamento e transporte de hidrogênio. O hidrogênio tem uma densidade baixa ( um litro de hidrogênio pesa 0,0846 gramas), portanto, para transportá-lo por longas distâncias, ele deve ser comprimido. E isso é energia adicional e custos em dinheiro. Além disso, não se esqueça da segurança.

No entanto, também há uma solução aqui - o combustível de hidrocarboneto líquido pode ser usado como fonte de hidrogênio. Por exemplo, álcool etílico ou metílico. É verdade que um dispositivo adicional especial já é necessário aqui - um conversor de combustível, em alta temperatura (para metanol, será algo em torno de 240 ° C) convertendo álcoois em uma mistura de H 2 gasoso e CO 2. Mas neste caso já é mais difícil pensar em portabilidade - tais dispositivos são bons para usar como geradores estacionários ou de carro, mas para equipamentos móveis compactos você precisa de algo menos volumoso.

Catalisador

Para melhorar a reação em uma célula de combustível, a superfície do ânodo é geralmente um catalisador. Até recentemente, a platina era usada como catalisador. Portanto, o custo da célula de combustível era alto. Em segundo lugar, a platina é um metal relativamente raro. Segundo especialistas, na produção industrial de células a combustível, as reservas exploradas de platina se esgotarão em 15 a 20 anos. Mas cientistas de todo o mundo estão tentando substituir a platina por outros materiais. By the way, alguns deles alcançaram bons resultados. Assim, os cientistas chineses substituíram a platina por óxido de cálcio (fonte: www.cheburek.net).

USANDO CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL

Pela primeira vez, uma célula de combustível em tecnologia automotiva foi testada em 1959. O trator Alice-Chambers usava 1008 baterias para operar. O combustível era uma mistura de gases, principalmente propano e oxigênio.

Fonte: http://www.planetseed.com/

A partir de meados dos anos 60, no auge da "corrida espacial", os criadores de naves espaciais se interessaram por células de combustível. O trabalho de milhares de cientistas e engenheiros possibilitou atingir um novo patamar, e em 1965. As células de combustível foram testadas nos Estados Unidos na espaçonave Gemini 5 e, posteriormente, na espaçonave Apollo para voos à Lua e sob o programa Shuttle. Na URSS, as células de combustível foram desenvolvidas na NPO Kvant, também para uso no espaço (fonte: http://www.powerinfo.ru/).

Como o produto final da combustão do hidrogênio em uma célula de combustível é a água, eles são considerados os mais limpos em termos de impacto ambiental. Portanto, as células de combustível começaram a ganhar popularidade no contexto de um interesse geral pela ecologia.

Já atualmente, fabricantes de automóveis como Honda, Ford, Nissan e Mercedes-Benz criaram veículos movidos a células de combustível de hidrogênio.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force movido a hidrogênio

Ao usar carros com hidrogênio, o problema com o armazenamento de hidrogênio é resolvido. A construção de postos de abastecimento de hidrogênio permitirá reabastecer em qualquer lugar. Além disso, encher um carro com hidrogênio é mais rápido do que carregar um carro elétrico em um posto de gasolina. Mas ao implementar esses projetos, eles enfrentaram um problema como o dos veículos elétricos. As pessoas estão prontas para “transferir” para um carro a hidrogênio se houver uma infraestrutura para elas. E a construção de postos de gasolina começará se houver um número suficiente de consumidores. Portanto, chegamos novamente ao dilema dos ovos e da galinha.

As células de combustível são amplamente utilizadas em telefones celulares e laptops. Longe vão os dias em que o telefone era carregado uma vez por semana. Agora o telefone está carregando, quase todos os dias, e o laptop funciona sem rede por 3-4 horas. Portanto, os fabricantes de tecnologia móvel decidiram sintetizar uma célula de combustível com telefones e laptops para carregar e trabalhar. Por exemplo, a Toshiba em 2003 demonstrou um protótipo acabado de uma célula de combustível de metanol. Dá uma potência de cerca de 100mW. Uma recarga de 2 cubos de metanol concentrado (99,5%) é suficiente para 20 horas de operação do MP3 player. Novamente, o mesmo "Toshiba" demonstrou um elemento de fonte de alimentação para laptop de 275x75x40mm, que permite que o computador funcione por 5 horas com uma carga.

Mas alguns fabricantes foram mais longe. A PowerTrekk lançou um carregador com o mesmo nome. PowerTrekk é o primeiro carregador de água do mundo. É muito fácil usá-lo. O PowerTrekk precisa de adição de água para fornecer energia instantânea através do cabo USB. Esta célula a combustível contém pó de silício e silicato de sódio (NaSi) quando misturado com água, esta combinação gera hidrogênio. O hidrogênio se mistura com o ar na própria célula de combustível e converte o hidrogênio em eletricidade por meio de sua troca de prótons de membrana, sem ventiladores ou bombas. Você pode comprar esse carregador portátil por 149 € (

As células de combustível (geradores eletroquímicos) são um método de geração de energia muito eficiente, durável, confiável e ecologicamente correto. Inicialmente, eles eram usados ​​apenas na indústria espacial, mas hoje os geradores eletroquímicos são cada vez mais usados ​​em várias áreas: são fontes de alimentação para telefones celulares e laptops, motores de veículos, fontes de alimentação autônomas para edifícios e usinas estacionárias. Alguns desses dispositivos funcionam como protótipos de laboratório, alguns são usados ​​para fins de demonstração ou estão passando por testes de pré-série. No entanto, muitos modelos já são utilizados em projetos comerciais e são produzidos em massa.

Dispositivo

As células a combustível são dispositivos eletroquímicos capazes de fornecer uma alta taxa de conversão de energia química existente em energia elétrica.

O dispositivo de célula de combustível inclui três partes principais:

1. Seção de Geração de Energia;
2. CPU;
3. Transformador de voltagem.

A parte principal da célula de combustível é a seção de geração de energia, que é uma bateria feita de células de combustível individuais. Um catalisador de platina é incluído na estrutura dos eletrodos da célula de combustível. Com a ajuda dessas células, uma corrente elétrica direta é criada.

Um desses dispositivos tem as seguintes características: a uma tensão de 155 volts, são produzidos 1400 amperes. As dimensões da bateria são 0,9 m de largura e altura, bem como 2,9 m de comprimento. O processo eletroquímico nele é realizado a uma temperatura de 177 ° C, o que requer o aquecimento da bateria no momento da partida, bem como a remoção de calor durante sua operação. Para este efeito, um circuito de água separado está incluído na composição da célula de combustível, incluindo a bateria equipada com placas de resfriamento especiais.

O processo de combustível converte o gás natural em hidrogênio, que é necessário para uma reação eletroquímica. O principal elemento do processador de combustível é o reformador. Nele, o gás natural (ou outro combustível contendo hidrogênio) interage em alta pressão e alta temperatura (cerca de 900 ° C) com vapor de água sob a ação de um catalisador de níquel.

Existe um queimador para manter a temperatura necessária do reformador. O vapor necessário para a reforma é gerado a partir do condensado. Uma corrente contínua instável é criada na pilha de células de combustível e um conversor de tensão é usado para convertê-la.

Também na unidade conversora de tensão existem:

• Dispositivos de controle.
• Circuitos de intertravamento de segurança que desligam a célula de combustível em várias falhas.

Princípio de funcionamento

O elemento mais simples com uma membrana de troca de prótons consiste em uma membrana de polímero que está localizada entre o ânodo e o cátodo, bem como catalisadores de cátodo e ânodo. A membrana de polímero é usada como eletrólito.

• A membrana de troca de prótons parece um composto orgânico sólido fino de pequena espessura. Esta membrana funciona como um eletrólito, na presença de água separa a substância em íons carregados negativamente e positivamente.
• A oxidação começa no ânodo e a redução ocorre no cátodo. O cátodo e o ânodo na célula PEM são feitos de um material poroso; é uma mistura de partículas de platina e carbono. A platina atua como um catalisador, que promove a reação de dissociação. O cátodo e o ânodo são porosos para que o oxigênio e o hidrogênio possam passar livremente por eles.
• O ânodo e o cátodo estão localizados entre duas placas de metal, fornecem oxigênio e hidrogênio ao cátodo e ao ânodo e removem energia elétrica, calor e água.
• Através de canais na placa, as moléculas de hidrogênio entram no ânodo, onde as moléculas são decompostas em átomos.
• Como resultado da quimissorção, quando expostos a um catalisador, os átomos de hidrogênio são convertidos em íons de hidrogênio carregados positivamente H +, ou seja, prótons.
• Os prótons se difundem para o cátodo através da membrana e o fluxo de elétrons vai para o cátodo através de um circuito elétrico externo especial. A ele está conectada uma carga, ou seja, um consumidor de energia elétrica.
• O oxigênio fornecido ao cátodo, quando exposto, entra em uma reação química com elétrons do circuito elétrico externo e íons de hidrogênio da membrana de troca de prótons. O resultado dessa reação química é a água.

A reação química que ocorre em células a combustível de outros tipos (por exemplo, com um eletrólito ácido na forma de ácido ortofosfórico H3PO4) é completamente idêntica à reação de um dispositivo com uma membrana de troca de prótons.

Tipos

Atualmente, são conhecidos vários tipos de células de combustível, que diferem na composição do eletrólito utilizado:

• Células de combustível baseadas em ácido ortofosfórico ou fosfórico (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Dispositivos com membrana de troca de prótons (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Células a combustível de óxido sólido (SOFC, Células a Combustível de Óxido Sólido).
• Geradores eletroquímicos baseados em carbonato fundido (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

Atualmente, os geradores eletroquímicos que utilizam a tecnologia PAFC se tornaram mais difundidos.

Inscrição

Hoje, as células de combustível são usadas nos ônibus espaciais, veículos espaciais reutilizáveis. Eles usam unidades de 12W. Eles geram toda a eletricidade na espaçonave. A água, que é formada durante a reação eletroquímica, é usada para beber, inclusive para equipamentos de refrigeração.

Geradores eletroquímicos também foram usados ​​para alimentar o Buran soviético, um navio reutilizável.

As células de combustível também são usadas no setor civil.

• Instalações estacionárias com capacidade de 5–250 kW e superior. Eles são usados ​​como fontes autônomas para fornecimento de calor e energia de edifícios industriais, públicos e residenciais, fontes de alimentação de emergência e backup, fontes de alimentação ininterruptas.
• Unidades portáteis com potência de 1–50 kW. Eles são usados ​​para satélites espaciais e naves. Instâncias são criadas para carrinhos de golfe, cadeiras de rodas, geladeiras ferroviárias e de carga, sinais de trânsito.
• Unidades móveis com capacidade de 25–150 kW. Eles estão começando a ser usados ​​em navios de guerra e submarinos, incluindo carros e outros veículos. Protótipos já foram criados por gigantes automotivos como Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford e outros.
• Microdispositivos com potência de 1–500 W. Eles encontram aplicação em computadores portáteis avançados, laptops, dispositivos eletrônicos de consumo, telefones celulares, dispositivos militares modernos.

Peculiaridades

• Parte da energia da reação química em cada célula de combustível é liberada como calor. Resfriamento necessário. Em um circuito externo, o fluxo de elétrons cria uma corrente contínua usada para realizar trabalho. A cessação do movimento dos íons de hidrogênio ou a abertura do circuito externo leva ao término da reação química.
• A quantidade de eletricidade que as células de combustível criam é determinada pela pressão do gás, temperatura, dimensões geométricas e tipo de célula de combustível. Para aumentar a quantidade de eletricidade gerada pela reação, é possível aumentar o tamanho das células a combustível, mas na prática são utilizados diversos elementos, que são combinados em baterias.
• O processo químico em alguns tipos de células de combustível pode ser revertido. Ou seja, quando uma diferença de potencial é aplicada aos eletrodos, a água pode ser decomposta em oxigênio e hidrogênio, que serão coletados em eletrodos porosos. Com a inclusão da carga, tal célula a combustível gerará energia elétrica.

perspectivas

Atualmente, geradores eletroquímicos para uso como principal fonte de energia demandam grandes custos iniciais. Com a introdução de membranas mais estáveis ​​com alta condutividade, catalisadores eficientes e baratos, fontes alternativas de hidrogênio, as células a combustível se tornarão altamente atrativas economicamente e serão introduzidas em todos os lugares.

• Os carros funcionarão com células de combustível, não terão motores de combustão interna. Água ou hidrogênio em estado sólido será usado como fonte de energia. O reabastecimento será fácil e seguro, e a condução será ecologicamente correta – apenas vapor de água será gerado.
• Todos os edifícios terão seus próprios geradores portáteis de energia de células de combustível.
• Os geradores eletroquímicos substituirão todas as baterias e estarão em quaisquer eletrônicos e eletrodomésticos.

Vantagens e desvantagens

Cada tipo de célula de combustível tem suas próprias vantagens e desvantagens. Alguns exigem combustível de alta qualidade, outros têm um design complexo e precisam de uma alta temperatura de operação.

Em geral, as seguintes vantagens das células a combustível podem ser indicadas:

• segurança para o meio ambiente;
• geradores eletroquímicos não precisam ser recarregados;
• geradores eletroquímicos podem criar energia constantemente, eles não se importam com as condições externas;
• flexibilidade em termos de escala e portabilidade.

Entre as desvantagens estão:

• dificuldades técnicas com armazenamento e transporte de combustível;
• elementos imperfeitos do dispositivo: catalisadores, membranas e assim por diante.

célula de combustível ( célula de combustível) é um dispositivo que converte energia química em energia elétrica. É semelhante em princípio a uma bateria convencional, mas difere porque seu funcionamento requer um fornecimento constante de substâncias externas para que ocorra uma reação eletroquímica. Hidrogênio e oxigênio são fornecidos às células de combustível, e a saída é eletricidade, água e calor. Suas vantagens incluem respeito ao meio ambiente, confiabilidade, durabilidade e facilidade de operação. Ao contrário das baterias convencionais, os conversores eletroquímicos podem operar virtualmente indefinidamente enquanto houver combustível disponível. Eles não precisam ser carregados por horas até que estejam totalmente carregados. Além disso, as próprias células podem carregar a bateria enquanto o carro está estacionado com o motor desligado.

As células a combustível de membrana de prótons (PEMFC) e as células a combustível de óxido sólido (SOFC) são as mais utilizadas em veículos de hidrogênio.

Uma célula de combustível com uma membrana de troca de prótons funciona da seguinte forma. Entre o ânodo e o cátodo há uma membrana especial e um catalisador revestido de platina. O hidrogênio entra no ânodo e o oxigênio entra no cátodo (por exemplo, do ar). No ânodo, o hidrogênio é decomposto em prótons e elétrons com a ajuda de um catalisador. Os prótons de hidrogênio passam pela membrana e entram no cátodo, enquanto os elétrons são liberados para o circuito externo (a membrana não os deixa passar). A diferença de potencial assim obtida leva ao aparecimento de uma corrente elétrica. No lado do cátodo, os prótons de hidrogênio são oxidados pelo oxigênio. Como resultado, é produzido vapor de água, que é o principal elemento dos gases de escape dos carros. Possuindo uma alta eficiência, as células PEM têm uma desvantagem significativa - elas requerem hidrogênio puro para sua operação, cujo armazenamento é um problema bastante sério.

Se for encontrado um catalisador que substitua a platina cara nessas células, uma célula de combustível barata será imediatamente criada para gerar eletricidade, o que significa que o mundo se livrará da dependência do petróleo.

Células de óxido sólido

As células SOFC de óxido sólido são muito menos exigentes quanto à pureza do combustível. Além disso, graças ao uso de um reformador POX (Oxidação Parcial - oxidação parcial), essas células podem consumir gasolina comum como combustível. O processo de conversão de gasolina diretamente em eletricidade é o seguinte. Em um dispositivo especial - um reformador, a uma temperatura de cerca de 800 ° C, a gasolina evapora e se decompõe em seus elementos constituintes.

Isso libera hidrogênio e dióxido de carbono. Além disso, também sob a influência da temperatura e com a ajuda do próprio SOFC (constituído por um material cerâmico poroso à base de óxido de zircônio), o hidrogênio é oxidado pelo oxigênio do ar. Após a obtenção do hidrogênio da gasolina, o processo prossegue de acordo com o cenário descrito acima, com apenas uma diferença: a célula a combustível SOFC, ao contrário dos dispositivos que operam com hidrogênio, é menos sensível a impurezas estranhas no combustível original. Portanto, a qualidade da gasolina não deve afetar o desempenho da célula de combustível.

A alta temperatura de operação do SOFC (650-800 graus) é uma desvantagem significativa, o processo de aquecimento leva cerca de 20 minutos. No entanto, o excesso de calor não é um problema, pois é completamente removido pelo ar remanescente e pelos gases de exaustão produzidos pelo reformador e pela própria célula de combustível. Isso permite que o sistema SOFC seja integrado ao veículo como um dispositivo autônomo em uma carcaça termicamente isolada.

A estrutura modular permite atingir a tensão necessária conectando um conjunto de células padrão em série. E, talvez o mais importante, do ponto de vista da introdução de tais dispositivos, não há eletrodos à base de platina muito caros no SOFC. É o alto custo desses elementos que é um dos obstáculos no desenvolvimento e disseminação da tecnologia PEMFC.

Tipos de células de combustível

Atualmente, existem esses tipos de células de combustível:

• A.F.C.– Célula de Combustível Alcalina (célula de combustível alcalina);
• PAFC– Célula a Combustível de Ácido Fosfórico (célula a combustível de ácido fosfórico);
• PEMFC– Proton Exchange Membrane Fuel Cell (célula a combustível com membrana de troca de prótons);
• DMFC– Célula a Combustível de Metanol Direta (célula a combustível com decomposição direta do metanol);
• MCFC– Célula a Combustível de Carbonato Fundido (célula a combustível de carbonato fundido);
• SOFC– Célula a Combustível de Óxido Sólido (célula a combustível de óxido sólido).

Benefícios das células de combustível/células

Uma célula de combustível/célula é um dispositivo que gera eficientemente corrente contínua e calor a partir de um combustível rico em hidrogênio por meio de uma reação eletroquímica.

Uma célula de combustível é semelhante a uma bateria, pois gera corrente contínua através de uma reação química. A célula de combustível inclui um ânodo, um cátodo e um eletrólito. No entanto, ao contrário das baterias, as células de combustível não podem armazenar energia elétrica, não descarregam e não requerem eletricidade para ser recarregada. As células/células de combustível podem gerar eletricidade continuamente, desde que tenham suprimento de combustível e ar.

Ao contrário de outros geradores de energia, como motores de combustão interna ou turbinas movidas a gás, carvão, óleo, etc., as células/células de combustível não queimam combustível. Isso significa que não há rotores barulhentos de alta pressão, nenhum ruído alto de exaustão, nenhuma vibração. As células de combustível geram eletricidade através de uma reação eletroquímica silenciosa. Outra característica das células a combustível é que elas convertem a energia química do combustível diretamente em eletricidade, calor e água.

As células de combustível são altamente eficientes e não produzem grandes quantidades de gases de efeito estufa, como dióxido de carbono, metano e óxido nitroso. Os únicos produtos emitidos durante a operação são água na forma de vapor e uma pequena quantidade de dióxido de carbono, que não é emitido se o hidrogênio puro for usado como combustível. As células/células de combustível são montadas em conjuntos e depois em módulos funcionais individuais.

História do desenvolvimento de células de combustível/células

Nas décadas de 1950 e 1960, um dos maiores desafios para as células de combustível nasceu da necessidade da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA) por fontes de energia para missões espaciais de longa duração. A célula/célula de combustível alcalina da NASA usa hidrogênio e oxigênio como combustível, combinando os dois em uma reação eletroquímica. A saída são três subprodutos de reação úteis em voos espaciais - eletricidade para alimentar a espaçonave, água para beber e sistemas de refrigeração e calor para manter os astronautas aquecidos.

A descoberta das células de combustível remonta ao início do século XIX. A primeira evidência do efeito das células a combustível foi obtida em 1838.

No final da década de 1930, o trabalho começou em células de combustível alcalinas e, em 1939, uma célula usando eletrodos niquelados de alta pressão foi construída. Durante a Segunda Guerra Mundial, células de combustível/células para submarinos da Marinha Britânica foram desenvolvidas e em 1958 um conjunto de combustível consistindo de células de combustível alcalinas com pouco mais de 25 cm de diâmetro foi introduzido.

O interesse aumentou nas décadas de 1950 e 1960 e também na década de 1980, quando o mundo industrial experimentou a escassez de óleo combustível. No mesmo período, os países do mundo também se preocuparam com o problema da poluição do ar e consideraram maneiras de gerar eletricidade ecologicamente correta. Atualmente, a tecnologia de célula de combustível/célula está passando por um rápido desenvolvimento.

Como funcionam as células/células de combustível

As células/células de combustível geram eletricidade e calor através de uma reação eletroquímica contínua usando um eletrólito, um cátodo e um ânodo.

O ânodo e o cátodo são separados por um eletrólito que conduz prótons. Depois que o hidrogênio entra no ânodo e o oxigênio entra no cátodo, uma reação química começa, como resultado da geração de corrente elétrica, calor e água.

No catalisador anódico, o hidrogênio molecular se dissocia e perde elétrons. Os íons de hidrogênio (prótons) são conduzidos através do eletrólito para o cátodo, enquanto os elétrons passam pelo eletrólito e por um circuito elétrico externo, criando uma corrente contínua que pode ser usada para alimentar equipamentos. No catalisador catódico, uma molécula de oxigênio combina-se com um elétron (que é fornecido por comunicações externas) e um próton de entrada, e forma a água, que é o único produto da reação (na forma de vapor e/ou líquido).

Abaixo está a reação correspondente:

Reação anódica: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reação no cátodo: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Reação geral do elemento: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Tipos e variedade de células/células de combustível

À semelhança da existência de diferentes tipos de motores de combustão interna, existem diferentes tipos de células de combustível - a escolha do tipo de célula de combustível adequado depende da sua aplicação.

As células de combustível são divididas em alta temperatura e baixa temperatura. As células de combustível de baixa temperatura requerem hidrogênio relativamente puro como combustível. Isso geralmente significa que o processamento do combustível é necessário para converter o combustível primário (como o gás natural) em hidrogênio puro. Este processo consome energia adicional e requer equipamentos especiais. As células de combustível de alta temperatura não precisam desse procedimento adicional, pois podem "converter internamente" o combustível em temperaturas elevadas, o que significa que não há necessidade de investir em infraestrutura de hidrogênio.

Células de combustível/células em carbonato fundido (MCFC)

As células de combustível de eletrólito de carbonato fundido são células de combustível de alta temperatura. A alta temperatura de operação permite o uso direto de gás natural sem um processador de combustível e gás combustível de baixo poder calorífico de combustíveis de processo e outras fontes.

A operação do RCFC é diferente de outras células de combustível. Essas células usam um eletrólito de uma mistura de sais de carbonato fundidos. Atualmente, são utilizados dois tipos de misturas: carbonato de lítio e carbonato de potássio ou carbonato de lítio e carbonato de sódio. Para derreter sais de carbonato e alcançar um alto grau de mobilidade de íons no eletrólito, as células de combustível com eletrólito de carbonato fundido operam em altas temperaturas (650°C). A eficiência varia entre 60-80%.

Quando aquecidos a uma temperatura de 650°C, os sais tornam-se condutores de íons carbonato (CO 3 2-). Esses íons passam do cátodo para o ânodo, onde se combinam com o hidrogênio para formar água, dióxido de carbono e elétrons livres. Esses elétrons são enviados através de um circuito elétrico externo de volta ao cátodo, gerando corrente elétrica e calor como subproduto.

Reação anódica: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reação no cátodo: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Reação geral do elemento: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (cátodo) => H 2 O (g) + CO 2 (ânodo)

As altas temperaturas de operação das células a combustível de eletrólito de carbonato fundido têm certas vantagens. Em altas temperaturas, o gás natural é reformado internamente, eliminando a necessidade de um processador de combustível. Além disso, as vantagens incluem a capacidade de usar materiais padrão de construção, como chapa de aço inoxidável e catalisador de níquel nos eletrodos. O calor residual pode ser usado para gerar vapor de alta pressão para diversos fins industriais e comerciais.

Altas temperaturas de reação no eletrólito também têm suas vantagens. O uso de altas temperaturas leva muito tempo para atingir as condições ideais de operação e o sistema reage mais lentamente às mudanças no consumo de energia. Essas características permitem o uso de sistemas de células a combustível com eletrólito de carbonato fundido em condições de potência constantes. Altas temperaturas evitam danos à célula de combustível por monóxido de carbono.

As células de combustível de carbonato fundido são adequadas para uso em grandes instalações estacionárias. As usinas termelétricas com potência elétrica de 3,0 MW são produzidas industrialmente. Usinas com potência de saída de até 110 MW estão sendo desenvolvidas.

Células de combustível/células à base de ácido fosfórico (PFC)

As células a combustível baseadas em ácido fosfórico (ortofosfórico) foram as primeiras células a combustível para uso comercial.

As células a combustível à base de ácido fosfórico (ortofosfórico) utilizam um eletrólito à base de ácido ortofosfórico (H 3 PO 4) com concentração de até 100%. A condutividade iônica do ácido fosfórico é baixa em baixas temperaturas, por esta razão essas células a combustível são usadas em temperaturas de até 150-220°C.

O portador de carga em células de combustível deste tipo é o hidrogênio (H+, próton). Um processo semelhante ocorre em células a combustível de membrana de troca de prótons, nas quais o hidrogênio fornecido ao ânodo é dividido em prótons e elétrons. Os prótons passam pelo eletrólito e se combinam com o oxigênio do ar no cátodo para formar água. Os elétrons são direcionados ao longo de um circuito elétrico externo e uma corrente elétrica é gerada. Abaixo estão as reações que geram eletricidade e calor.

Reação no ânodo: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reação no cátodo: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Reação geral do elemento: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

A eficiência das células de combustível à base de ácido fosfórico (ortofosfórico) é superior a 40% na geração de energia elétrica. Na produção combinada de calor e eletricidade, a eficiência global é de cerca de 85%. Além disso, dadas as temperaturas de operação, o calor residual pode ser usado para aquecer água e gerar vapor à pressão atmosférica.

O elevado desempenho das centrais térmicas em células de combustível à base de ácido fosfórico (ortofosfórico) na produção combinada de calor e eletricidade é uma das vantagens deste tipo de células de combustível. As usinas utilizam monóxido de carbono em uma concentração de cerca de 1,5%, o que amplia muito a escolha do combustível. Além disso, o CO 2 não afeta o eletrólito e o funcionamento da célula a combustível, este tipo de célula funciona com combustível natural reformado. Construção simples, baixa volatilidade eletrolítica e maior estabilidade também são vantagens deste tipo de célula a combustível.

As usinas termelétricas com potência elétrica de até 500 kW são produzidas industrialmente. As instalações de 11 MW passaram nos testes relevantes. Usinas com potência de saída de até 100 MW estão sendo desenvolvidas.

Células/células de combustível de óxido sólido (SOFC)

As células a combustível de óxido sólido são as células a combustível com a temperatura de operação mais alta. A temperatura de operação pode variar de 600°C a 1000°C, o que permite a utilização de diversos tipos de combustível sem pré-tratamento especial. Para lidar com essas altas temperaturas, o eletrólito usado é um óxido de metal sólido à base de cerâmica fina, muitas vezes uma liga de ítrio e zircônio, que é um condutor de íons de oxigênio (O 2-).

Um eletrólito sólido fornece uma transição de gás hermética de um eletrodo para outro, enquanto eletrólitos líquidos estão localizados em um substrato poroso. O portador de carga em células de combustível deste tipo é o íon oxigênio (O 2-). No cátodo, as moléculas de oxigênio são separadas do ar em um íon de oxigênio e quatro elétrons. Os íons de oxigênio passam pelo eletrólito e se combinam com o hidrogênio para formar quatro elétrons livres. Os elétrons são direcionados através de um circuito elétrico externo, gerando corrente elétrica e calor residual.

Reação no ânodo: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reação no cátodo: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Reação geral do elemento: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

A eficiência da energia elétrica gerada é a mais alta de todas as células de combustível - cerca de 60-70%. As altas temperaturas de operação permitem a geração combinada de calor e energia para gerar vapor de alta pressão. A combinação de uma célula de combustível de alta temperatura com uma turbina cria uma célula de combustível híbrida para aumentar a eficiência da geração de energia elétrica em até 75%.

As células de combustível de óxido sólido operam em temperaturas muito altas (600°C - 1000°C), resultando em um longo tempo para atingir as condições ideais de operação, e o sistema é mais lento para responder às mudanças no consumo de energia. Em temperaturas de operação tão altas, nenhum conversor é necessário para recuperar hidrogênio do combustível, permitindo que a usina termelétrica opere com combustíveis relativamente impuros da gaseificação de carvão ou gases residuais e semelhantes. Além disso, esta célula de combustível é excelente para aplicações de alta potência, incluindo centrais elétricas industriais e de grande porte. Módulos produzidos industrialmente com potência elétrica de saída de 100 kW.

Células de combustível/células com oxidação direta de metanol (DOMTE)

A tecnologia de uso de células a combustível com oxidação direta do metanol está passando por um período de desenvolvimento ativo. Estabeleceu-se com sucesso no campo da alimentação de telefones celulares, laptops, bem como na criação de fontes de energia portáteis. a que se destina a futura aplicação desses elementos.

A estrutura das células a combustível com oxidação direta do metanol é semelhante às células a combustível com membrana de troca de prótons (MOFEC), ou seja, um polímero é usado como eletrólito e um íon de hidrogênio (próton) é usado como transportador de carga. No entanto, o metanol líquido (CH 3 OH) é oxidado na presença de água no ânodo, liberando CO 2 , íons de hidrogênio e elétrons, que são guiados por um circuito elétrico externo, gerando uma corrente elétrica. Os íons de hidrogênio passam pelo eletrólito e reagem com o oxigênio do ar e os elétrons do circuito externo para formar água no ânodo.

Reação no ânodo: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reação no cátodo: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Reação geral do elemento: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

A vantagem deste tipo de célula a combustível é seu pequeno tamanho, devido ao uso de combustível líquido, e a ausência da necessidade de uso de conversor.

Células/células de combustível alcalinas (AFC)

As células de combustível alcalinas são um dos elementos mais eficientes usados ​​para gerar eletricidade, com eficiência de geração de energia chegando a 70%.

As células de combustível alcalinas usam um eletrólito, ou seja, uma solução aquosa de hidróxido de potássio, contida em uma matriz porosa e estabilizada. A concentração de hidróxido de potássio pode variar dependendo da temperatura de operação da célula a combustível, que varia de 65°C a 220°C. O portador de carga em um SFC é um íon hidróxido (OH-) movendo-se do cátodo para o ânodo, onde reage com o hidrogênio para produzir água e elétrons. A água produzida no ânodo volta para o cátodo, gerando novamente íons hidróxido. Como resultado desta série de reações que ocorrem na célula de combustível, a eletricidade é produzida e, como subproduto, calor:

Reação no ânodo: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reação no cátodo: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Reação geral do sistema: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

A vantagem dos SFCs é que essas células a combustível são as mais baratas de fabricar, já que o catalisador necessário nos eletrodos pode ser qualquer uma das substâncias mais baratas do que aquelas usadas como catalisadores para outras células a combustível. Os SCFCs operam em temperaturas relativamente baixas e estão entre as células de combustível mais eficientes - tais características podem contribuir respectivamente para uma geração de energia mais rápida e alta eficiência de combustível.

Uma das características do SHTE é sua alta sensibilidade ao CO 2 , que pode estar contido no combustível ou no ar. O CO 2 reage com o eletrólito, envenena-o rapidamente e reduz muito a eficiência da célula de combustível. Portanto, o uso de SFCs é limitado a espaços fechados, como veículos espaciais e submarinos, eles devem operar com hidrogênio e oxigênio puros. Além disso, moléculas como CO, H 2 O e CH4, que são seguras para outras células a combustível e até combustível para algumas delas, são prejudiciais aos SFCs.

Células/células de combustível de eletrólito de polímero (PETE)

No caso de células a combustível de eletrólito polimérico, a membrana polimérica é constituída por fibras poliméricas com regiões aquosas nas quais há uma condução de íons água (H 2 O + (próton, vermelho) ligado à molécula de água). As moléculas de água apresentam um problema devido à troca iônica lenta. Portanto, é necessária uma alta concentração de água tanto no combustível quanto nos eletrodos de exaustão, o que limita a temperatura de operação a 100°C.

Células/células de combustível de ácido sólido (SCFC)

Em células a combustível de ácido sólido, o eletrólito (CsHSO 4 ) não contém água. A temperatura de operação é, portanto, 100-300°C. A rotação dos ânions SO 4 2-oxi permite que os prótons (vermelho) se movam conforme mostrado na figura. Normalmente, uma célula de combustível de ácido sólido é um sanduíche no qual uma camada muito fina de composto de ácido sólido é colocada entre dois eletrodos firmemente comprimidos para garantir um bom contato. Quando aquecido, o componente orgânico evapora, saindo pelos poros nos eletrodos, mantendo a capacidade de inúmeros contatos entre o combustível (ou oxigênio na outra extremidade da célula), eletrólito e eletrodos.

Vários módulos de células de combustível. bateria de célula de combustível

1. Bateria de célula de combustível
2. Outros equipamentos de alta temperatura (gerador de vapor integrado, câmara de combustão, trocador de equilíbrio térmico)
3. Isolamento resistente ao calor

módulo de célula de combustível

Análise comparativa de tipos e variedades de células de combustível

As usinas de energia e calor municipais inovadoras que economizam energia são normalmente construídas em células de combustível de óxido sólido (SOFCs), células de combustível de eletrólito de polímero (PEFCs), células de combustível de ácido fosfórico (PCFCs), células de combustível de membrana de troca de prótons (MPFCs) e células de combustível alcalinas. APFC). Geralmente apresentam as seguintes características:

As células a combustível de óxido sólido (SOFC) devem ser reconhecidas como as mais adequadas, que:

• operar a uma temperatura mais alta, o que reduz a necessidade de metais preciosos caros (como platina)
• pode operar em vários tipos de combustíveis de hidrocarbonetos, principalmente em gás natural
• têm um tempo de inicialização mais longo e, portanto, são mais adequados para operação a longo prazo
• demonstrar alta eficiência de geração de energia (até 70%)
• devido às altas temperaturas de operação, as unidades podem ser combinadas com sistemas de recuperação de calor, elevando a eficiência geral do sistema até 85%
• têm emissões próximas de zero, operam silenciosamente e têm baixos requisitos operacionais em comparação com as tecnologias de geração de energia existentes

Tipo de célula de combustível	Temperatura de trabalho	Eficiência de Geração de Energia	Tipo de combustível	Area de aplicação
RKTE	550–700°C	50-70%		Instalações de médio e grande porte
FKTE	100–220°C	35-40%	hidrogênio puro	Grandes instalações
MOPTE	30-100°C	35-50%	hidrogênio puro	Pequenas instalações
SOFC	450–1000°C	45-70%	A maioria dos combustíveis de hidrocarbonetos	Instalações de pequeno, médio e grande porte
POMBA	20-90°C	20-30%	metanol	Portátil
SHTE	50–200°C	40-70%	hidrogênio puro	pesquisa Espacial
PETE	30-100°C	35-50%	hidrogênio puro	Pequenas instalações

Como pequenas usinas termelétricas podem ser conectadas a uma rede convencional de fornecimento de gás, as células de combustível não requerem um sistema separado de fornecimento de hidrogênio. Ao utilizar pequenas centrais térmicas baseadas em células de combustível de óxido sólido, o calor gerado pode ser integrado em trocadores de calor para aquecimento de água e ventilação de ar, aumentando a eficiência geral do sistema. Essa tecnologia inovadora é mais adequada para geração de energia eficiente sem a necessidade de infraestrutura cara e integração de instrumentos complexos.

Aplicações de célula de combustível/célula

Aplicação de células de combustível em sistemas de telecomunicações

Com a rápida disseminação dos sistemas de comunicação sem fio em todo o mundo e os crescentes benefícios sociais e econômicos da tecnologia de telefonia móvel, a necessidade de energia de backup confiável e econômica tornou-se crítica. Perdas de rede ao longo do ano devido ao mau tempo, desastres naturais ou capacidade limitada da rede são um desafio constante para os operadores de rede.

As soluções tradicionais de backup de energia de telecomunicações incluem baterias (célula de bateria de chumbo-ácido regulada por válvula) para energia de backup de curto prazo e geradores a diesel e propano para energia de backup mais longa. As baterias são uma fonte relativamente barata de energia de backup por 1 a 2 horas. No entanto, as baterias não são adequadas para períodos de backup mais longos porque são caras de manter, tornam-se não confiáveis ​​após longos períodos de uso, são sensíveis a temperaturas e são perigosas para o meio ambiente após o descarte. Geradores a diesel e propano podem fornecer energia de reserva contínua. No entanto, os geradores podem não ser confiáveis, exigir manutenção extensiva e liberar altos níveis de poluentes e gases de efeito estufa na atmosfera.

Para eliminar as limitações das soluções tradicionais de energia de backup, foi desenvolvida uma tecnologia inovadora de célula de combustível verde. As células de combustível são confiáveis, silenciosas, contêm menos peças móveis do que um gerador, têm uma faixa de temperatura operacional mais ampla do que uma bateria de -40°C a +50°C e, como resultado, proporcionam níveis extremamente altos de economia de energia. Além disso, o custo de vida útil de tal usina é menor do que o de um gerador. O custo mais baixo por célula de combustível é o resultado de apenas uma visita de manutenção por ano e produtividade da planta significativamente maior. Afinal, a célula de combustível é uma solução tecnológica ecologicamente correta com impacto ambiental mínimo.

As unidades de célula de combustível fornecem energia de backup para infraestruturas de rede de comunicações críticas para comunicações sem fio, permanentes e de banda larga no sistema de telecomunicações, variando de 250W a 15kW, elas oferecem muitos recursos inovadores incomparáveis:

• CONFIABILIDADE– Poucas peças móveis e nenhuma descarga de espera
• ECONOMIA DE ENERGIA
• SILÊNCIO- baixo nível de ruído
• ESTABILIDADE– faixa de operação de -40°C a +50°C
• ADAPTABILIDADE– instalação externa e interna (recipiente/recipiente de proteção)
• ALTO PODER- até 15 kW
• BAIXA NECESSIDADE DE MANUTENÇÃO- manutenção anual mínima
• ECONOMIA- custo total de propriedade atraente
• ENERGIA LIMPA– baixas emissões com impacto ambiental mínimo

O sistema detecta a tensão do barramento CC o tempo todo e aceita suavemente cargas críticas se a tensão do barramento CC cair abaixo de um ponto de ajuste definido pelo usuário. O sistema funciona com hidrogênio, que entra na pilha de células de combustível de duas maneiras - a partir de uma fonte comercial de hidrogênio ou de um combustível líquido de metanol e água, usando um sistema reformador integrado.

A eletricidade é produzida pela pilha de células de combustível na forma de corrente contínua. A energia CC é enviada para um conversor que converte a energia CC não regulada da pilha de células de combustível em energia CC regulada de alta qualidade para as cargas necessárias. Uma instalação de célula de combustível pode fornecer energia de reserva por muitos dias, pois a duração é limitada apenas pela quantidade de hidrogênio ou metanol/água combustível disponível em estoque.

As células de combustível oferecem eficiência energética superior, maior confiabilidade do sistema, desempenho mais previsível em uma ampla variedade de climas e vida útil confiável em comparação com as baterias de chumbo-ácido reguladas por válvula padrão do setor. Os custos do ciclo de vida também são menores devido aos requisitos de manutenção e substituição significativamente menores. As células de combustível oferecem benefícios ambientais ao usuário final, pois os custos de descarte e os riscos de responsabilidade associados às células de chumbo-ácido são uma preocupação crescente.

O desempenho das baterias elétricas pode ser afetado negativamente por uma ampla gama de fatores, como nível de carga, temperatura, ciclos, vida útil e outras variáveis. A energia fornecida varia de acordo com esses fatores e não é fácil de prever. O desempenho de uma célula a combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC) é relativamente pouco afetado por esses fatores e pode fornecer energia crítica enquanto o combustível estiver disponível. A maior previsibilidade é um benefício importante ao mudar para células de combustível para aplicações de energia de backup de missão crítica.

As células de combustível geram energia apenas quando o combustível é fornecido, como um gerador de turbina a gás, mas não possuem partes móveis na zona de geração. Portanto, ao contrário de um gerador, eles não estão sujeitos a desgaste rápido e não requerem manutenção e lubrificação constantes.

O combustível usado para acionar o Conversor de Combustível de Longa Duração é uma mistura de metanol e água. O metanol é um combustível comercial amplamente disponível que atualmente tem muitos usos, incluindo lavador de pára-brisa, garrafas plásticas, aditivos de motor e tintas de emulsão. O metanol é fácil de transportar, miscível com água, tem boa biodegradabilidade e é livre de enxofre. Tem um baixo ponto de congelamento (-71°C) e não se decompõe durante o armazenamento prolongado.

Aplicação de células a combustível em redes de comunicação

As redes de segurança requerem soluções de energia de backup confiáveis ​​que podem durar horas ou dias em caso de emergência se a rede elétrica ficar indisponível.

Com poucas peças móveis e nenhuma redução de energia em standby, a inovadora tecnologia de célula de combustível oferece uma solução atraente em comparação com os sistemas de energia de reserva atualmente disponíveis.

A razão mais convincente para o uso da tecnologia de célula de combustível em redes de comunicação é a maior confiabilidade e segurança geral. Durante eventos como falta de energia, terremotos, tempestades e furacões, é importante que os sistemas continuem a operar e tenham uma fonte de alimentação de reserva confiável por um longo período de tempo, independentemente da temperatura ou idade do sistema de energia de reserva.

A gama de fontes de alimentação de células de combustível é ideal para suportar redes de comunicações seguras. Graças aos seus princípios de design de economia de energia, eles fornecem uma energia de backup confiável e ecologicamente correta com duração estendida (até vários dias) para uso na faixa de potência de 250 W a 15 kW.

Aplicação de células a combustível em redes de dados

O fornecimento de energia confiável para redes de dados, como redes de dados de alta velocidade e backbones de fibra óptica, é de fundamental importância em todo o mundo. As informações transmitidas por essas redes contêm dados críticos para instituições como bancos, companhias aéreas ou centros médicos. Uma queda de energia nessas redes não apenas representa um perigo para as informações transmitidas, mas também, como regra, leva a perdas financeiras significativas. Instalações confiáveis ​​e inovadoras de células de combustível que fornecem energia em standby fornecem a confiabilidade necessária para garantir energia ininterrupta.

As unidades de células de combustível que operam com uma mistura de combustível líquido de metanol e água fornecem uma fonte de alimentação de backup confiável com duração estendida, até vários dias. Além disso, essas unidades apresentam requisitos de manutenção significativamente reduzidos em comparação com geradores e baterias, exigindo apenas uma visita de manutenção por ano.

Características típicas de aplicação para o uso de instalações de células de combustível em redes de dados:

• Aplicações com entradas de potência de 100 W a 15 kW
• Aplicações com requisitos de duração da bateria > 4 horas
• Repetidores em sistemas de fibra óptica (hierarquia de sistemas digitais síncronos, internet de alta velocidade, voz sobre IP…)
• Nós de rede de transmissão de dados de alta velocidade
• Nós de transmissão WiMAX

As instalações de reserva de células de combustível oferecem inúmeras vantagens para infraestruturas de rede de dados críticas em relação aos geradores tradicionais a bateria ou a diesel, permitindo maior utilização no local:

1. A tecnologia de combustível líquido resolve o problema de armazenamento de hidrogênio e fornece energia de reserva praticamente ilimitada.
2. Devido à sua operação silenciosa, baixo peso, resistência a temperaturas extremas e operação praticamente livre de vibrações, as células de combustível podem ser instaladas ao ar livre, em instalações/contêineres industriais ou em telhados.
3. As preparações no local para usar o sistema são rápidas e econômicas, e o custo de operação é baixo.
4. O combustível é biodegradável e representa uma solução ecologicamente correta para o meio urbano.

Aplicação de células a combustível em sistemas de segurança

Os sistemas de segurança e comunicação de edifícios mais cuidadosamente projetados são tão confiáveis ​​quanto a energia que os alimenta. Embora a maioria dos sistemas inclua algum tipo de sistema de energia ininterrupta de backup para perdas de energia de curto prazo, eles não fornecem as quedas de energia mais longas que podem ocorrer após desastres naturais ou ataques terroristas. Essa pode ser uma questão crítica para muitas agências corporativas e governamentais.

Sistemas vitais como monitoramento de CFTV e sistemas de controle de acesso (leitores de cartões de identificação, dispositivos de fechamento de portas, tecnologia de identificação biométrica, etc.), sistemas automáticos de alarme e extinção de incêndio, sistemas de controle de elevadores e redes de telecomunicações, estão em risco na ausência de um fonte alternativa confiável de fornecimento contínuo de energia.

Os geradores a diesel são barulhentos, difíceis de localizar e estão bem cientes de seus problemas de confiabilidade e manutenção. Em contraste, uma instalação de backup de célula de combustível é silenciosa, confiável, tem emissões zero ou muito baixas e é fácil de instalar em um telhado ou fora de um edifício. Não descarrega ou perde energia no modo de espera. Garante a operação contínua de sistemas críticos, mesmo após a instituição encerrar suas operações e o prédio ser abandonado por pessoas.

Instalações inovadoras de células de combustível protegem investimentos caros em aplicações críticas. Eles fornecem energia de reserva ecológica, confiável e duradoura (até muitos dias) para uso na faixa de potência de 250 W a 15 kW, combinada com vários recursos inigualáveis ​​e, especialmente, um alto nível de economia de energia.

As unidades de backup de energia de célula de combustível oferecem inúmeras vantagens para aplicações críticas, como sistemas de segurança e gerenciamento de edifícios, em relação aos geradores tradicionais a bateria ou a diesel. A tecnologia de combustível líquido resolve o problema de armazenamento de hidrogênio e fornece energia de reserva praticamente ilimitada.

Aplicação de células de combustível em aquecimento doméstico e geração de energia

Células de combustível de óxido sólido (SOFCs) são usadas para construir usinas termelétricas confiáveis, energeticamente eficientes e livres de emissões para gerar eletricidade e calor a partir de gás natural amplamente disponível e combustíveis renováveis. Essas unidades inovadoras são utilizadas em uma ampla variedade de mercados, desde a geração de energia doméstica até o fornecimento de energia para áreas remotas, bem como fontes de energia auxiliares.

Aplicação de células a combustível em redes de distribuição

Pequenas usinas termelétricas são projetadas para operar em uma rede de geração de energia distribuída que consiste em um grande número de pequenos grupos geradores em vez de uma usina centralizada.

A figura abaixo mostra a perda de eficiência de geração de energia quando ela é gerada por usinas de cogeração e transmitida às residências através das redes de transmissão tradicionais atualmente em uso. As perdas de eficiência na geração distrital incluem perdas da usina, transmissão de baixa e alta tensão e perdas de distribuição.

A figura mostra os resultados da integração de pequenas usinas termelétricas: a eletricidade é gerada com eficiência de geração de até 60% no ponto de uso. Além disso, a família pode usar o calor gerado pelas células de combustível para aquecimento de água e ambiente, o que aumenta a eficiência geral do processamento de energia do combustível e melhora a economia de energia.

Uso de Células de Combustível para Proteção do Meio Ambiente - Utilização de Gás de Petróleo Associado

Uma das tarefas mais importantes na indústria do petróleo é a utilização do gás de petróleo associado. Os métodos existentes de utilização do gás de petróleo associado apresentam inúmeras desvantagens, sendo a principal delas a inviabilidade econômica. O gás de petróleo associado é queimado, o que causa grandes danos ao meio ambiente e à saúde humana.

As usinas inovadoras de aquecimento e energia com células de combustível que usam gás de petróleo associado como combustível abrem o caminho para uma solução radical e econômica para os problemas de utilização de gás de petróleo associado.

1. Uma das principais vantagens das instalações de células de combustível é que elas podem operar de forma confiável e sustentável com gás de petróleo associado à composição variável. Devido à reação química sem chama subjacente à operação de uma célula de combustível, uma redução na porcentagem de, por exemplo, metano causa apenas uma redução correspondente na produção de energia.
2. Flexibilidade em relação à carga elétrica dos consumidores, diferencial, surto de carga.
3. Para a instalação e conexão de usinas termelétricas em células a combustível, sua implantação não requer investimentos de capital, pois As unidades são facilmente montadas em locais não preparados próximos aos campos, são fáceis de operar, confiáveis ​​e eficientes.
4. Alta automação e controle remoto moderno não exigem a presença constante de pessoal na planta.
5. Simplicidade e perfeição técnica do design: a ausência de partes móveis, fricção, sistemas de lubrificação proporciona benefícios econômicos significativos na operação de instalações de células de combustível.
6. Consumo de água: nulo a temperaturas ambiente até +30 °C e insignificante a temperaturas mais elevadas.
7. Saída de água: nenhuma.
8. Além disso, as usinas termelétricas a célula a combustível não fazem barulho, não vibram, não emitem emissões nocivas para a atmosfera

As células de combustível de hidrogênio convertem a energia química do combustível em eletricidade, contornando os processos ineficientes e de alta perda de combustão e a conversão de energia térmica em energia mecânica. A célula a combustível de hidrogênio é eletroquímico o dispositivo como resultado da combustão "fria" de combustível altamente eficiente gera eletricidade diretamente. A célula a combustível hidrogênio-ar de membrana de troca de prótons (PEMFC) é uma das tecnologias de célula a combustível mais promissoras.

Há oito anos, seis bombas de diesel líquido foram abertas na Europa Ocidental; eles devem ser duzentos até o fim. Estamos longe dos milhares de terminais de carregamento rápido que estão surgindo em todos os lugares para estimular a propagação do movimento elétrico. E é aí que o atrito dói. E é melhor anunciarmos o grafeno.

As baterias não tiveram sua última palavra

É mais do que autonomia, portanto, limitar o tempo de carregamento está diminuindo a propagação do carro elétrico. No entanto, recordou este mês uma nota dirigida aos seus clientes de que as baterias têm uma limitação limitada a este tipo de sonda a muito alta tensão. Thomas Brachman será informado de que uma rede de distribuição de hidrogênio ainda precisa ser construída. O argumento que ele varre a mão, lembrando que a multiplicação de terminais de carga rápida também é muito cara, devido à alta seção transversal dos cabos de cobre de alta tensão. "É mais fácil e barato transportar hidrogênio liquefeito por caminhão de tanques enterrados próximos aos locais de produção."

Uma membrana de polímero condutor de prótons separa dois eletrodos, um ânodo e um cátodo. Cada eletrodo é uma placa de carbono (matriz) revestida com um catalisador. No catalisador anódico, o hidrogênio molecular se dissocia e doa elétrons. Os cátions de hidrogênio são conduzidos através da membrana para o cátodo, mas os elétrons são liberados para o circuito externo, uma vez que a membrana não permite a passagem de elétrons.

O hidrogênio ainda não é um vetor de eletricidade puro

Quanto ao custo da própria bateria, que é uma informação muito sensível, Thomas Brachmann não tem dúvidas de que pode ser reduzido significativamente à medida que a eficiência aumenta. "A platina é o elemento que custa mais." Infelizmente, quase todo o hidrogênio vem de fontes de energia fóssil. Além disso, o dihidrogênio é apenas um vetor de energia, e não uma fonte da qual, durante sua produção, não é consumida uma parte desprezível, sua liquefação e depois sua conversão em eletricidade.

No catalisador catódico, uma molécula de oxigênio combina-se com um elétron (que é fornecido pelo circuito elétrico) e um próton de entrada e forma água, que é o único produto da reação (na forma de vapor e/ou líquido).

Os blocos de eletrodos de membrana são feitos de células de combustível de hidrogênio, que são o principal elemento gerador do sistema de energia.

O carro do futuro se comporta como um real

O saldo da bateria é cerca de três vezes maior, apesar das perdas por aquecimento nos drivers. Infelizmente, o carro milagroso não perfurará nossas estradas, exceto como parte de manifestações públicas. Brachmann, que lembra que o silêncio natural de um carro elétrico aumenta a impressão de viver em um mundo barulhento. Contra todas as probabilidades, o pedal de direção e freio oferece consistência natural.

Bateria minúscula, mas desempenho aprimorado

O gadget é perceptível, a tela central espalha as imagens da câmera colocada no espelho direito assim que a seta é acionada. A maioria dos nossos clientes nos EUA não precisa mais, e isso nos permite manter os preços baixos – justifica o engenheiro-chefe, que oferece uma tarifa menor do que. Vale muito a pena falar de pilha de células de combustível, pois são 358 que funcionam juntas. O tanque principal com capacidade de 117 litros, pressionado contra a parede traseira do banco, proíbe dobrá-lo, e o segundo - 24 litros, fica escondido sob o assento.

Vantagens das células de combustível de hidrogênio em comparação com as soluções tradicionais:

- aumento da intensidade de energia específica (500 ÷ 1000 W*h/kg),

- faixa de temperatura de operação estendida (-40 0 C / +40 0 C),

- ausência de ponto térmico, ruído e vibração,

- confiabilidade de partida a frio

- período de armazenamento de energia praticamente ilimitado (falta de auto-descarga),

Primeira célula de combustível de dois tempos

Apesar de seu tamanho compacto, esta nova célula de combustível converte dihidrogênio em eletricidade mais rápido e melhor do que seu antecessor. Ele entrega os elementos da pilha em oxigênio a uma taxa anteriormente considerada inconsistente com sua durabilidade. O excesso de água, que anteriormente limitava a vazão, é melhor evacuado. Como resultado, a potência por elemento é aumentada pela metade e a eficiência atinge 60%.

Isso se deve à presença de uma bateria de íons de lítio de 1,7 kWh - localizada sob os bancos dianteiros, que permite que uma corrente adicional seja fornecida durante fortes acelerações. Ou a autonomia da previsão é de 460 km, o que corresponde perfeitamente ao que o fabricante afirma.

- a capacidade de alterar a intensidade energética do sistema alterando o número de cartuchos de combustível, o que proporciona autonomia quase ilimitada,

A capacidade de fornecer quase qualquer intensidade de energia razoável do sistema, alterando a capacidade de armazenamento de hidrogênio,

- alto consumo de energia

- tolerância a impurezas no hidrogênio,

Mas mil peças facilitam o fluxo de ar e otimizam o resfriamento. Ainda mais do que o seu antecessor, este veículo elétrico demonstra que a célula de combustível está no centro das atenções. Um grande desafio para a indústria e nossos líderes. Entretanto, muito esperto, quem saberá qual da célula de combustível ou bateria prevalecerá.

Uma célula de combustível é um dispositivo de conversão de energia eletroquímica que pode gerar eletricidade na forma de corrente contínua, combinando um combustível e um oxidante em uma reação química para produzir um produto residual, normalmente óxido de combustível.

- longa vida útil,

- respeito pelo ambiente e silêncio de trabalho.

Sistemas de fornecimento de energia baseados em células de combustível de hidrogênio para UAVs:

Instalação de células de combustível em veículos aéreos não tripulados em vez das baterias tradicionais, multiplica a duração do voo, o peso da carga útil, permite aumentar a confiabilidade da aeronave, expandir a faixa de temperatura para lançamento e operação do UAV, diminuindo o limite para -40 0С. Em comparação com os motores de combustão interna, os sistemas de células de combustível são silenciosos, livres de vibração, operam em baixas temperaturas, são difíceis de detectar durante o voo, não produzem emissões nocivas e podem executar com eficiência tarefas de vigilância por vídeo à entrega de carga útil.

Cada célula a combustível possui dois eletrodos, um positivo e um negativo, e a reação que produz eletricidade ocorre nos eletrodos na presença de um eletrólito que transporta partículas carregadas de eletrodo a eletrodo enquanto os elétrons circulam nos fios externos localizados entre os eletrodos. para criar eletricidade.

A célula de combustível pode gerar eletricidade continuamente, desde que o fluxo necessário de combustível e oxidante seja mantido. Algumas células de combustível produzem apenas alguns watts, enquanto outras podem produzir várias centenas de quilowatts, enquanto baterias menores provavelmente são encontradas em laptops e telefones celulares, mas as células de combustível são muito caras para serem pequenos geradores usados ​​para gerar eletricidade para residências e empresas.

A composição do sistema de alimentação para o UAV:

Dimensões econômicas das células de combustível

O uso de hidrogênio como fonte de combustível acarreta custos significativos. Por esta razão, o hidrogênio é agora uma fonte não econômica, em particular porque outras fontes menos caras podem ser usadas. Os custos de produção de hidrogênio podem variar, pois refletem o custo dos recursos dos quais é extraído.

Fontes de combustível da bateria

As células a combustível são geralmente classificadas nas seguintes categorias: células a combustível de hidrogênio, células a combustível orgânicas, células a combustível metálicas e baterias redox. Quando o hidrogênio é usado como fonte de combustível, a energia química é convertida em eletricidade durante o processo de hidrólise reversa para fornecer apenas água e calor como resíduos. A célula de combustível de hidrogênio é muito baixa, mas pode ser mais ou menos alta na produção de hidrogênio, especialmente se for produzida a partir de combustíveis fósseis.

• - bateria de célula de combustível,
• - Bateria de buffer Li-Po para cobrir cargas de pico de curto prazo,
• - eletrônico Sistema de controle ,
• - sistema de combustível constituído por um cilindro com hidrogénio comprimido ou uma fonte sólida de hidrogénio.

O sistema de combustível usa cilindros e redutores leves de alta resistência para garantir o fornecimento máximo de hidrogênio comprimido a bordo. É permitido o uso de vários tamanhos padrão de cilindros (de 0,5 a 25 litros) com redutores que fornecem o fluxo de hidrogênio necessário.

As baterias de hidrogênio são divididas em duas categorias: baterias de baixa temperatura e baterias de alta temperatura, onde as baterias de alta temperatura também podem usar combustíveis fósseis diretamente. Estes últimos são compostos por hidrocarbonetos como petróleo ou gasolina, álcool ou biomassa.

Outras fontes de combustível em baterias incluem, mas não se limitam a, álcoois, zinco, alumínio, magnésio, soluções iônicas e muitos hidrocarbonetos. Outros agentes oxidantes incluem, mas não estão limitados a ar, cloro e dióxido de cloro. Atualmente, existem vários tipos de células de combustível.

Características do sistema de alimentação do UAV:

Carregadores portáteis baseados em células de combustível de hidrogênio:

Carregadores portáteis baseados em células de combustível de hidrogênio são dispositivos compactos comparáveis ​​em peso e dimensões aos carregadores de bateria existentes e amplamente utilizados no mundo.

A tecnologia portátil onipresente no mundo moderno precisa ser recarregada regularmente. Os sistemas portáteis tradicionais são praticamente inúteis em temperaturas negativas, e após cumprirem sua função, também necessitam de recarga utilizando (redes elétricas), o que também reduz sua eficiência e autonomia do aparelho.

Cada molécula de dihidrogênio tem 2 elétrons. O íon H passa do ânodo para o cátodo e induz uma corrente elétrica quando um elétron é transferido. Como podem ser as células de combustível para aeronaves? Hoje, testes estão sendo realizados em aeronaves para tentar pilotá-las usando uma bateria híbrida de íon-lítio de célula de combustível. O verdadeiro ganho da célula a combustível está em sua integridade de baixo peso: é mais leve, o que ajuda a reduzir o peso da aeronave e, portanto, o consumo de combustível.

Mas, por enquanto, pilotar uma aeronave de célula de combustível não é possível porque ainda tem muitas desvantagens. Imagem de uma célula de combustível. Quais são as desvantagens de uma célula de combustível? Em primeiro lugar, se o hidrogênio fosse comum, seu uso em grandes quantidades seria problemático. De fato, está disponível não apenas na Terra. É encontrado em água contendo oxigênio, amônia. Portanto, é necessário realizar eletrólise da água para obtê-la, e este ainda não é um método muito utilizado.

Os sistemas de célula de combustível de hidrogênio requerem apenas a substituição de um cartucho de combustível compacto, após o qual o dispositivo está imediatamente pronto para operação.

Características dos carregadores portáteis:

Fontes de alimentação ininterruptas baseadas em células de combustível de hidrogênio:

Os sistemas de alimentação ininterrupta baseados em células de combustível de hidrogênio são projetados para organizar o fornecimento de energia de backup e o fornecimento de energia temporário. Sistemas de alimentação ininterrupta baseados em células de combustível de hidrogênio oferecem vantagens significativas sobre as soluções tradicionais para organizar o fornecimento de energia temporário e de backup, usando baterias e geradores a diesel.

O hidrogênio é um gás e, portanto, difícil de conter e transportar. Outro risco associado ao uso de hidrogênio é o risco de explosão, pois é um gás altamente inflamável. o que abastece a bateria para sua produção em larga escala requer uma fonte diferente de energia, seja petróleo, gás ou carvão, ou energia nuclear, o que torna seu equilíbrio ambiental significativamente pior que o querosene e faz pilha, platina, metal, que é ainda mais raro e mais valioso que o ouro.

A célula de combustível fornece energia oxidando o combustível no ânodo e reduzindo o oxidante no cátodo. A descoberta do princípio da célula a combustível e as primeiras implementações laboratoriais usando ácido sulfúrico como eletrólito são creditadas ao químico William Grove.

Características do sistema de alimentação ininterrupta:

célula de combustívelé um dispositivo eletroquímico semelhante a uma célula galvânica, mas difere dela porque as substâncias para a reação eletroquímica são alimentadas a partir do exterior - em contraste com a quantidade limitada de energia armazenada em uma célula ou bateria galvânica.

De fato, as células a combustível têm algumas vantagens: as que usam di-hidrogênio e dióxido emitem apenas vapor de água: portanto, é uma tecnologia limpa. Existem vários tipos de células a combustível, dependendo da natureza do eletrólito, da natureza do combustível, da oxidação direta ou indireta, da temperatura de operação.

A tabela a seguir resume as principais características desses vários dispositivos. Vários programas europeus buscam outros polímeros, como os derivados de polibenzimidazol, mais estáveis ​​e baratos. A compacidade da bateria também é um desafio constante com membranas da ordem de 15-50 µm, ânodos de carbono porosos e placas bipolares de aço inoxidável. A vida útil também pode ser melhorada, pois, por um lado, traços de monóxido de carbono na ordem de algumas partes por milhão em hidrogênio são verdadeiros venenos para o catalisador e, por outro lado, o controle da água no polímero é essencial.

Arroz. 1. Algumas células de combustível

As células de combustível convertem a energia química do combustível em eletricidade, contornando os processos de combustão ineficientes que ocorrem com grandes perdas. Como resultado de uma reação química, eles convertem hidrogênio e oxigênio em eletricidade. Como resultado deste processo, a água é formada e uma grande quantidade de calor é liberada. Uma célula de combustível é muito semelhante a uma bateria que pode ser carregada e usada para armazenar energia elétrica. O inventor da célula de combustível é William R. Grove, que a inventou em 1839. Nesta célula a combustível, uma solução de ácido sulfúrico foi utilizada como eletrólito, e hidrogênio foi usado como combustível, que se combinou com o oxigênio em um meio oxidante. Até recentemente, as células de combustível eram usadas apenas em laboratórios e em naves espaciais.

Ao contrário de outros geradores de energia, como motores de combustão interna ou turbinas movidas a gás, carvão, petróleo, etc., as células de combustível não queimam combustível. Isso significa que não há rotores barulhentos de alta pressão, nenhum ruído alto de exaustão, sem vibrações. As células de combustível geram eletricidade através de uma reação eletroquímica silenciosa. Outra característica das células de combustível é que elas convertem a energia química do combustível diretamente em eletricidade, calor e água.

As células de combustível são altamente eficientes e não produzem grandes quantidades de gases de efeito estufa, como dióxido de carbono, metano e óxido nitroso. As únicas emissões das células de combustível são água na forma de vapor e uma pequena quantidade de dióxido de carbono, que não é emitido se o hidrogênio puro for usado como combustível. As células de combustível são montadas em conjuntos e depois em módulos funcionais separados.

As células de combustível não têm partes móveis (pelo menos não dentro da própria célula) e, portanto, não obedecem à lei de Carnot. Ou seja, terão mais de 50% de eficiência e são especialmente eficazes em cargas baixas. Assim, os veículos com células de combustível podem ser (e já provaram ser) mais eficientes em termos de combustível do que os veículos convencionais em condições de condução reais.

A célula de combustível gera corrente elétrica DC que pode ser usada para acionar um motor elétrico, luminárias e outros sistemas elétricos em um veículo.

Existem vários tipos de células de combustível, diferindo nos processos químicos utilizados. As células a combustível são geralmente classificadas de acordo com o tipo de eletrólito que utilizam.

Alguns tipos de células de combustível são promissores para uso em usinas de energia, enquanto outros são para dispositivos portáteis ou para dirigir carros.

1. Células de combustível alcalinas (AFC)

Célula de combustível alcalina- Este é um dos primeiros elementos desenvolvidos. As células de combustível alcalinas (ALFCs) são uma das tecnologias mais estudadas utilizadas desde meados da década de 1960 pela NASA nos programas Apollo e Space Shuttle. A bordo dessas espaçonaves, as células de combustível produzem eletricidade e água potável.

As células de combustível alcalinas são um dos elementos mais eficientes usados ​​para gerar eletricidade, com eficiência de geração de energia chegando a 70%.

As células de combustível alcalinas usam um eletrólito, ou seja, uma solução aquosa de hidróxido de potássio, contida em uma matriz porosa e estabilizada. A concentração de hidróxido de potássio pode variar dependendo da temperatura de operação da célula a combustível, que varia de 65°C a 220°C. O portador de carga no SFC é um íon hidróxido (OH-) movendo-se do cátodo para o ânodo, onde reage com o hidrogênio para produzir água e elétrons. A água produzida no ânodo volta para o cátodo, gerando novamente íons hidróxido. Como resultado desta série de reações que ocorrem na célula de combustível, a eletricidade é produzida e, como subproduto, calor:

Reação anódica: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reação no cátodo: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Reação geral do sistema: 2H2 + O2 => 2H2O

A vantagem dos SFCs é que essas células a combustível são as mais baratas de produzir, pois o catalisador necessário nos eletrodos pode ser qualquer uma das substâncias mais baratas do que aquelas usadas como catalisadores para outras células a combustível. Além disso, os SFCs operam em temperaturas relativamente baixas e estão entre os mais eficientes.

Uma das características do SFC é sua alta sensibilidade ao CO2, que pode estar contido no combustível ou no ar. O CO2 reage com o eletrólito, envenena-o rapidamente e reduz muito a eficiência da célula de combustível. Portanto, o uso de SFCs é limitado a espaços fechados, como veículos espaciais e submarinos, pois operam com hidrogênio e oxigênio puros.

2. Células de combustível de fusão de carbonato (MCFC)

Células de combustível com eletrólito de carbonato fundido são células de combustível de alta temperatura. A alta temperatura de operação permite o uso direto de gás natural sem um processador de combustível e gás combustível de baixo poder calorífico de combustíveis de processo e outras fontes. Este processo foi desenvolvido em meados da década de 1960. Desde então, a tecnologia de fabricação, o desempenho e a confiabilidade foram aprimorados.

A operação do RCFC é diferente de outras células de combustível. Essas células usam um eletrólito de uma mistura de sais de carbonato fundidos. Atualmente, são utilizados dois tipos de misturas: carbonato de lítio e carbonato de potássio ou carbonato de lítio e carbonato de sódio. Para derreter sais de carbonato e alcançar um alto grau de mobilidade de íons no eletrólito, as células de combustível com eletrólito de carbonato fundido operam em altas temperaturas (650°C). A eficiência varia entre 60-80%.

Quando aquecidos a uma temperatura de 650°C, os sais tornam-se condutores de íons carbonato (CO32-). Esses íons viajam do cátodo para o ânodo, onde se combinam com o hidrogênio para formar água, dióxido de carbono e elétrons livres. Esses elétrons são enviados através de um circuito elétrico externo de volta ao cátodo, gerando corrente elétrica e calor como subproduto.

Reação anódica: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reação no cátodo: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Reação geral do elemento: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(cátodo) => H2O(g) + CO2(ânodo)

As altas temperaturas de operação das células a combustível de eletrólito de carbonato fundido têm certas vantagens. A vantagem é a capacidade de usar materiais padrão (chapa de aço inoxidável e catalisador de níquel nos eletrodos). O calor residual pode ser usado para produzir vapor de alta pressão. Altas temperaturas de reação no eletrólito também têm suas vantagens. O uso de altas temperaturas leva muito tempo para atingir as condições ideais de operação e o sistema reage mais lentamente às mudanças no consumo de energia. Essas características permitem o uso de sistemas de células a combustível com eletrólito de carbonato fundido em condições de potência constantes. Altas temperaturas evitam danos à célula de combustível por monóxido de carbono, "envenenamento", etc.

As células de combustível de carbonato fundido são adequadas para uso em grandes instalações estacionárias. As usinas termelétricas com potência elétrica de 2,8 MW são produzidas industrialmente. Usinas com potência de saída de até 100 MW estão sendo desenvolvidas.

3. Células de combustível à base de ácido fosfórico (PFC)

Células de combustível baseadas em ácido fosfórico (ortofosfórico) tornaram-se as primeiras células de combustível para uso comercial. Este processo foi desenvolvido em meados dos anos 60 do século XX, testes foram realizados desde os anos 70 do século XX. Como resultado, a estabilidade e o desempenho foram aumentados e o custo foi reduzido.

As células a combustível à base de ácido fosfórico (ortofosfórico) utilizam um eletrólito à base de ácido ortofosfórico (H3PO4) com concentração de até 100%. A condutividade iônica do ácido fosfórico é baixa em baixas temperaturas, então essas células de combustível são usadas em temperaturas de até 150-220°C.

O portador de carga em células de combustível deste tipo é o hidrogênio (H+, próton). Um processo semelhante ocorre em células a combustível de membrana de troca de prótons (MEFCs), nas quais o hidrogênio fornecido ao ânodo é dividido em prótons e elétrons. Os prótons passam pelo eletrólito e se combinam com o oxigênio do ar no cátodo para formar água. Os elétrons são direcionados ao longo de um circuito elétrico externo e uma corrente elétrica é gerada. Abaixo estão as reações que geram eletricidade e calor.

Reação anódica: 2H2 => 4H+ + 4e

Reação no cátodo: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Reação geral do elemento: 2H2 + O2 => 2H2O

A eficiência das células de combustível à base de ácido fosfórico (ortofosfórico) é superior a 40% na geração de energia elétrica. Na produção combinada de calor e eletricidade, a eficiência global é de cerca de 85%. Além disso, dadas as temperaturas de operação, o calor residual pode ser usado para aquecer água e gerar vapor à pressão atmosférica.

O elevado desempenho das centrais térmicas em células de combustível à base de ácido fosfórico (ortofosfórico) na produção combinada de calor e eletricidade é uma das vantagens deste tipo de células de combustível. As usinas utilizam monóxido de carbono em uma concentração de cerca de 1,5%, o que amplia muito a escolha do combustível. Construção simples, baixa volatilidade eletrolítica e maior estabilidade também são vantagens de tais células de combustível.

As usinas termelétricas com potência elétrica de até 400 kW são produzidas industrialmente. As instalações com capacidade de 11 MW foram aprovadas nos respectivos testes. Usinas com potência de saída de até 100 MW estão sendo desenvolvidas.

4. Células de combustível com membrana de troca de prótons (MOFEC)

Células de combustível com membrana de troca de prótons são considerados o melhor tipo de célula a combustível para geração de energia veicular, podendo substituir os motores de combustão interna a gasolina e diesel. Essas células de combustível foram usadas pela NASA pela primeira vez para o programa Gemini. As instalações em MOPFC com potência de 1 W a 2 kW são desenvolvidas e mostradas.

O eletrólito nessas células a combustível é uma membrana de polímero sólido (filme plástico fino). Quando impregnado com água, esse polímero passa prótons, mas não conduz elétrons.

O combustível é o hidrogênio e o transportador de carga é um íon de hidrogênio (próton). No ânodo, a molécula de hidrogênio é separada em um íon de hidrogênio (próton) e elétrons. Os íons de hidrogênio passam através do eletrólito para o cátodo, enquanto os elétrons se movem ao redor do círculo externo e produzem energia elétrica. O oxigênio, que é retirado do ar, é alimentado ao cátodo e se combina com elétrons e íons de hidrogênio para formar água. As seguintes reações ocorrem nos eletrodos: Reação anódica: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReação catódica: O2 + 2H2O + 4e- => 4OHReação total da célula: 2H2 + O2 => 2H2O Comparado a outros tipos de células a combustível, células a combustível com uma membrana de troca de prótons produzem mais energia para um determinado volume ou peso da célula a combustível. Esse recurso permite que eles sejam compactos e leves. Além disso, a temperatura de operação é inferior a 100°C, o que permite iniciar a operação rapidamente. Essas características, bem como a capacidade de alterar rapidamente a produção de energia, são apenas algumas das características que tornam essas células de combustível as principais candidatas para uso em veículos.

Outra vantagem é que o eletrólito é um sólido em vez de um líquido. É mais fácil manter os gases no cátodo e no ânodo com um eletrólito sólido, portanto, essas células de combustível são mais baratas de fabricar. Ao utilizar um eletrólito sólido, não há dificuldades como orientação e menos problemas devido à ocorrência de corrosão, o que aumenta a durabilidade da célula e de seus componentes.

5. Células de combustível de óxido sólido (SOFC)

Células de combustível de óxido sólido são as células de combustível com a maior temperatura de operação. A temperatura de operação pode variar de 600°C a 1000°C, o que permite a utilização de diversos tipos de combustível sem pré-tratamento especial. Para lidar com essas altas temperaturas, o eletrólito usado é um óxido de metal sólido à base de cerâmica fina, geralmente uma liga de ítrio e zircônio, que é um condutor de íons de oxigênio (O2-). A tecnologia de utilização de células a combustível de óxido sólido vem se desenvolvendo desde o final da década de 1950 e possui duas configurações: planar e tubular.

Um eletrólito sólido fornece uma transição de gás hermética de um eletrodo para outro, enquanto eletrólitos líquidos estão localizados em um substrato poroso. O portador de carga em células de combustível deste tipo é o íon oxigênio (О2-). No cátodo, as moléculas de oxigênio são separadas do ar em um íon de oxigênio e quatro elétrons. Os íons de oxigênio passam pelo eletrólito e se combinam com o hidrogênio para formar quatro elétrons livres. Os elétrons são direcionados através de um circuito elétrico externo, gerando corrente elétrica e calor residual.

Reação anódica: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reação no cátodo: O2 + 4e- => 2O2-

Reação geral do elemento: 2H2 + O2 => 2H2O

A eficiência da produção de energia elétrica é a mais alta de todas as células de combustível - cerca de 60%. Além disso, as altas temperaturas de operação permitem a geração combinada de calor e energia para gerar vapor de alta pressão. A combinação de uma célula de combustível de alta temperatura com uma turbina cria uma célula de combustível híbrida para aumentar a eficiência da geração de energia elétrica em até 70%.

As células de combustível de óxido sólido operam em temperaturas muito altas (600°C-1000°C), resultando em um tempo significativo para atingir as condições ideais de operação, enquanto o sistema responde mais lentamente às mudanças no consumo de energia. Em temperaturas de operação tão altas, nenhum conversor é necessário para recuperar hidrogênio do combustível, permitindo que a usina termelétrica opere com combustíveis relativamente impuros da gaseificação de carvão ou gases residuais e semelhantes. Além disso, esta célula de combustível é excelente para aplicações de alta potência, incluindo centrais elétricas industriais e de grande porte. Módulos produzidos industrialmente com potência elétrica de saída de 100 kW.

6. Células de combustível com oxidação direta de metanol (DOMTE)

Células de combustível com oxidação direta de metanol são usados ​​com sucesso no campo de alimentação de telefones celulares, laptops, bem como para criar fontes de energia portáteis, que é o objetivo do uso futuro de tais elementos.

A estrutura das células a combustível com oxidação direta do metanol é semelhante à estrutura das células a combustível com membrana de troca de prótons (MOFEC), ou seja, um polímero é usado como eletrólito e um íon de hidrogênio (próton) é usado como transportador de carga. Mas o metanol líquido (CH3OH) é oxidado na presença de água no ânodo, liberando CO2, íons de hidrogênio e elétrons, que são enviados através de um circuito elétrico externo, e uma corrente elétrica é gerada. Os íons de hidrogênio passam pelo eletrólito e reagem com o oxigênio do ar e os elétrons do circuito externo para formar água no ânodo.

Reação anódica: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eReação catódica: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Reação total do elemento: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 1990s e seu poder específico e eficiência foram aumentados para 40%.

Esses elementos foram testados na faixa de temperatura de 50-120°C. Devido às baixas temperaturas de operação e sem necessidade de conversor, essas células a combustível são as melhores candidatas para aplicações em telefones celulares e outros produtos de consumo, bem como em motores de automóveis. Sua vantagem também são pequenas dimensões.

7. Células a combustível de eletrólito polimérico (PETE)

No caso de células a combustível de eletrólito polimérico, a membrana polimérica é constituída por fibras poliméricas com regiões aquosas nas quais há uma condução de íons de água H2O+ (próton, vermelho) ligado à molécula de água. As moléculas de água apresentam um problema devido à troca iônica lenta. Portanto, é necessária uma alta concentração de água tanto no combustível quanto nos eletrodos de exaustão, o que limita a temperatura de operação a 100°C.

8. Células de combustível de ácido sólido (SCFC)

Em células a combustível de ácido sólido, o eletrólito (CsHSO4) não contém água. A temperatura de operação é, portanto, 100-300°C. A rotação dos oxiânions SO42 permite que os prótons (vermelho) se movam conforme mostrado na figura. Normalmente, uma célula de combustível de ácido sólido é um sanduíche no qual uma camada muito fina de composto de ácido sólido é colocada entre dois eletrodos firmemente comprimidos para garantir um bom contato. Quando aquecido, o componente orgânico evapora, saindo pelos poros nos eletrodos, mantendo a capacidade de inúmeros contatos entre o combustível (ou oxigênio na outra extremidade da célula), eletrólito e eletrodos.

9. Comparação das características mais importantes das células de combustível

Características da célula de combustível

Tipo de célula de combustível	Temperatura de trabalho	Eficiência de Geração de Energia	Tipo de combustível	Alcance
				Instalações de médio e grande porte
			hidrogênio puro	instalações
			hidrogênio puro	Pequenas instalações
			A maioria dos combustíveis de hidrocarbonetos	Instalações de pequeno, médio e grande porte
				Portátil instalações
			hidrogênio puro	Espaço explorado
			hidrogênio puro	Pequenas instalações

10. Uso de células de combustível em carros

Ecologia do conhecimento. Ciência e tecnologia: A eletrônica móvel está melhorando a cada ano, tornando-se mais difundida e mais acessível: PDAs, laptops, dispositivos móveis e digitais, porta-retratos, etc. Todos eles são constantemente reabastecidos

Célula de combustível DIY em casa

A eletrônica móvel está melhorando a cada ano, tornando-se mais difundida e acessível: PDAs, laptops, dispositivos móveis e digitais, porta-retratos, etc. Todos eles são constantemente atualizados com novos recursos, monitores maiores, comunicações sem fio, processadores mais fortes, enquanto tamanho. . As tecnologias de energia, ao contrário da tecnologia de semicondutores, não vão aos trancos e barrancos.

As baterias e acumuladores disponíveis para alimentar as conquistas da indústria estão se tornando insuficientes, por isso a questão das fontes alternativas é muito aguda. As células de combustível são de longe a direção mais promissora. O princípio de sua operação foi descoberto em 1839 por William Grove, que gerou eletricidade alterando a eletrólise da água.

O que são células de combustível?

Vídeo: Documentário, Células de Combustível para Transporte: Passado, Presente, Futuro

As células de combustível são de interesse dos fabricantes de automóveis, e os criadores de naves espaciais também estão interessados ​​nelas. Em 1965, eles foram testados pela América no Gemini 5 lançado ao espaço e, mais tarde, no Apollo. Milhões de dólares são investidos em pesquisas sobre células de combustível ainda hoje, quando há problemas associados à poluição ambiental, aumentando as emissões de gases de efeito estufa provenientes da queima de combustíveis fósseis, cujas reservas também não são infinitas.

Uma célula de combustível, muitas vezes chamada de gerador eletroquímico, opera da maneira descrita abaixo.

Sendo, como acumuladores e baterias, uma célula galvânica, mas com a diferença de que as substâncias ativas são armazenadas separadamente. Eles chegam aos eletrodos à medida que são usados. No eletrodo negativo queima combustível natural ou qualquer substância obtida dele, que pode ser gasoso (hidrogênio, por exemplo, e monóxido de carbono) ou líquido, como álcoois. No eletrodo positivo, como regra, o oxigênio reage.

Mas um princípio de ação de aparência simples não é fácil de traduzir em realidade.

célula de combustível DIY

Infelizmente, não temos fotos de como deve ser esse elemento combustível, esperamos sua imaginação.

Uma célula de combustível de baixa potência com suas próprias mãos pode ser feita mesmo em um laboratório escolar. É necessário estocar uma máscara de gás antiga, vários pedaços de plexiglass, álcali e uma solução aquosa de álcool etílico (mais simplesmente, vodka), que servirá como "combustível" para a célula de combustível.

Em primeiro lugar, você precisa de uma caixa para a célula de combustível, que é melhor feita de plexiglass, com pelo menos cinco milímetros de espessura. As divisórias internas (cinco compartimentos internos) podem ser um pouco mais finas - 3 cm. Para colar plexiglass, é usada cola da seguinte composição: seis gramas de chips de plexiglass são dissolvidos em cem gramas de clorofórmio ou dicloroetano (eles trabalham sob um capô ).

Na parede externa, agora é necessário fazer um furo no qual você precisa inserir um tubo de vidro de drenagem com um diâmetro de 5-6 centímetros através de uma rolha de borracha.

Todo mundo sabe que na tabela periódica no canto inferior esquerdo estão os metais mais ativos, e os metalóides de alta atividade estão na tabela no canto superior direito, ou seja. a capacidade de doar elétrons aumenta de cima para baixo e da direita para a esquerda. Elementos que podem, sob certas condições, se manifestar como metais ou metalóides estão no centro da mesa.

Agora, no segundo e quarto compartimentos, despejamos carvão ativado da máscara de gás (entre a primeira partição e a segunda, bem como a terceira e a quarta), que atuarão como eletrodos. Para que o carvão não saia pelos buracos, pode ser colocado em um tecido de nylon (meias de nylon femininas servem).

O combustível circulará na primeira câmara, na quinta deve haver um fornecedor de oxigênio - ar. Haverá um eletrólito entre os eletrodos e, para evitar que vaze para a câmara de ar, é necessário mergulhá-lo com uma solução de parafina em gasolina (a proporção de 2 gramas de parafina para meio copo de gasolina) antes de encher a quarta câmara com carvão para eletrólito de ar. Em uma camada de carvão, você precisa colocar placas de cobre (levemente pressionadas), às quais os fios são soldados. Através deles, a corrente será desviada dos eletrodos.

Resta apenas carregar o elemento. Para isso, é necessária vodka, que deve ser diluída com água em 1: 1. Em seguida, adicione cuidadosamente trezentos a trezentos e cinquenta gramas de potássio cáustico. Para eletrólito, 70 gramas de potássio cáustico são dissolvidos em 200 gramas de água.

A célula de combustível está pronta para teste. Agora você precisa derramar simultaneamente combustível na primeira câmara e eletrólito na terceira. Um voltímetro conectado aos eletrodos deve mostrar de 07 volts a 0,9. Para garantir o funcionamento contínuo do elemento, é necessário drenar o combustível usado (drene em um copo) e adicionar novo combustível (através de um tubo de borracha). A taxa de alimentação é controlada apertando o tubo. É assim que a operação de uma célula de combustível parece em condições de laboratório, cuja potência é compreensivelmente pequena.

Para aumentar o poder, os cientistas trabalham nesse problema há muito tempo. As células a combustível de metanol e etanol estão localizadas no aço de desenvolvimento ativo. Mas, infelizmente, até agora não há como colocá-los em prática.

Por que a célula de combustível é escolhida como fonte de energia alternativa

A célula a combustível foi escolhida como fonte de energia alternativa, uma vez que o produto final da combustão do hidrogênio nela é a água. O problema está apenas em encontrar uma maneira barata e eficiente de produzir hidrogênio. Os colossais fundos investidos no desenvolvimento de geradores de hidrogênio e células de combustível não podem deixar de dar frutos, por isso um avanço tecnológico e seu uso real na vida cotidiana é apenas uma questão de tempo.

Já hoje, os monstros da indústria automotiva: General Motors, Honda, Dreimler Coisler, Ballard, demonstram ônibus e carros movidos a células de combustível com potência de até 50 kW. Mas, os problemas associados à sua segurança, confiabilidade, custo - ainda não foram resolvidos. Como já mencionado, ao contrário das fontes de energia tradicionais - baterias e baterias, neste caso, o oxidante e o combustível são fornecidos do lado de fora, e a célula a combustível é apenas um intermediário na reação em andamento para queimar o combustível e converter a energia liberada em eletricidade . A “queima” ocorre apenas se o elemento fornecer corrente à carga, como um gerador a diesel, mas sem gerador e diesel, e também sem ruído, fumaça e superaquecimento. Ao mesmo tempo, a eficiência é muito maior, pois não há mecanismos intermediários.

Grandes esperanças são colocadas no uso de nanotecnologias e nanomateriais, que ajudarão a miniaturizar células de combustível, aumentando seu poder. Houve relatos de que catalisadores ultraeficientes foram criados, bem como projetos de células de combustível que não possuem membranas. Neles, juntamente com o oxidante, o combustível (metano, por exemplo) é fornecido ao elemento. As soluções são interessantes, onde o oxigênio dissolvido na água é usado como agente oxidante e as impurezas orgânicas acumuladas em águas poluídas são usadas como combustível. São as chamadas células de biocombustível.

As células de combustível, segundo especialistas, podem entrar no mercado de massa nos próximos anos. Publicados

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Os proprietários da patente RU 2379795:

A invenção refere-se a células a combustível de álcool de ação direta usando eletrólitos ácidos sólidos e catalisadores de reforma interna. O resultado técnico da invenção é o aumento da potência específica e da tensão do elemento. De acordo com a invenção, a célula de combustível inclui um ânodo, um cátodo, um electrólito ácido sólido, uma camada de difusão gasosa e um catalisador de reformação interno. O catalisador de reformação interno pode compreender qualquer reformador adequado e é adjacente ao ânodo. Nesta configuração, o calor gerado nas reações exotérmicas no catalisador da célula a combustível e o aquecimento ôhmico do eletrólito da célula a combustível é a força motriz para a reação endotérmica de reforma do combustível para converter o álcool combustível em hidrogênio. É possível usar qualquer combustível de álcool, como metanol ou etanol. 5n. e 20 z.p. f-ly, 4 mal.

Campo técnico

A invenção refere-se a células a combustível de álcool de ação direta usando eletrólitos ácidos sólidos.

Estado da arte

Os álcoois recentemente passaram por intenso escrutínio como potenciais combustíveis. Álcoois como metanol e etanol são particularmente desejáveis ​​como combustíveis porque têm energias específicas cinco a sete vezes maiores que o hidrogênio comprimido padrão. Por exemplo, um litro de metanol é energeticamente equivalente a 5,2 litros de hidrogênio comprimido a 320 atm. Além disso, um litro de etanol equivale energeticamente a 7,2 litros de hidrogênio comprimido a 350 atm. Esses álcoois também são desejáveis ​​porque são fáceis de manusear, armazenar e transportar.

Metanol e etanol têm sido objeto de muitas pesquisas em termos de combustíveis de álcool. O etanol pode ser obtido a partir da fermentação de plantas contendo açúcar e amido. O metanol pode ser obtido a partir da gaseificação de madeira ou resíduos de madeira/cereais (palha). No entanto, a síntese de metanol é mais eficiente. Esses álcoois, entre outras coisas, são recursos renováveis ​​e, portanto, espera-se que desempenhem um papel importante na redução das emissões de gases de efeito estufa e na redução da dependência de combustíveis fósseis.

As células a combustível têm sido propostas como dispositivos que convertem a energia química desses álcoois em energia elétrica. Nesse sentido, células a combustível de álcool de ação direta com membranas eletrolíticas poliméricas têm sido submetidas a intensas pesquisas. Especificamente, células de combustível de metanol direto e células de combustível de etanol direto foram estudadas. No entanto, a pesquisa sobre células a combustível de etanol direto tem sido limitada devido à relativa dificuldade de oxidar o etanol em comparação com o metanol oxidante.

Apesar desses extensos esforços de pesquisa, o desempenho das células a combustível de álcool de ação direta permanece insatisfatório, principalmente devido às limitações cinéticas impostas pelos catalisadores de eletrodos. Por exemplo, células de combustível de metanol de ação direta típicas têm uma densidade de potência de aproximadamente 50 mW/cm 2 . Níveis de potência específica mais altos foram obtidos, por exemplo 335 mW/cm 2 , mas apenas sob condições extremamente severas (Nafion®, 130°C, oxigênio 5 atm e metanol 1 M para uma vazão de 2 cc/min a uma pressão de 1,8 atm). Da mesma forma, uma célula de combustível de etanol direto tem uma densidade de potência de 110 mW/cm 2 sob condições extremamente severas semelhantes (sílica Nafion®, 140° C., ânodo 4 atm, oxigênio 5,5 atm). Consequentemente, existe a necessidade de células de combustível de álcool de ação direta com altas densidades de potência na ausência de tais condições extremas.

Breve resumo da invenção

A presente invenção refere-se a células a combustível de álcool contendo eletrólitos ácidos sólidos e usando um catalisador de reformação interno. Uma célula de combustível geralmente inclui um ânodo, um cátodo, um eletrólito ácido sólido e um reformador interno. O reformador prevê a reforma do álcool combustível para a produção de hidrogênio. A força motriz por trás da reação de reforma é o calor gerado durante as reações exotérmicas na célula a combustível.

O uso de eletrólitos ácidos sólidos na célula a combustível permite colocar o reformador diretamente adjacente ao ânodo. Isso não era considerado possível anteriormente devido às temperaturas elevadas necessárias para o funcionamento eficaz de materiais de reforma conhecidos e à sensibilidade ao calor de membranas eletrolíticas de polímero típicas. No entanto, em comparação com as membranas eletrolíticas poliméricas convencionais, os eletrólitos ácidos sólidos podem suportar temperaturas muito mais altas, o que torna possível colocar o reformador adjacente ao ânodo e, portanto, próximo ao eletrólito. Nesta configuração, o calor residual gerado pelo eletrólito é absorvido pelo reformador e conduz a reação de reforma endotérmica.

Breve descrição dos desenhos

Estas e outras características e vantagens da presente invenção serão melhor compreendidas com a leitura da seguinte descrição detalhada, tomada em conjunto com os desenhos anexos, onde:

A Figura 1 é uma representação esquemática de uma célula de combustível de acordo com uma modalidade da presente invenção;

A Figura 2 é uma comparação gráfica de curvas entre densidade de potência e tensão de célula para células de combustível obtidas de acordo com os Exemplos 1 e 2 e o Exemplo Comparativo 1;

A Figura 3 é uma comparação gráfica de curvas entre densidade de potência e tensão de célula para células de combustível obtidas de acordo com os Exemplos 3, 4 e 5 e o Exemplo Comparativo 2; e

A Figura 4 é uma comparação gráfica das curvas entre densidade de potência e tensão de célula para células de combustível obtidas de acordo com os Exemplos Comparativos 2 e 3.

Descrição detalhada da invenção

A presente invenção refere-se a células a combustível de álcool direto contendo eletrólitos ácidos sólidos e usando um catalisador de reformação interno em contato físico com um conjunto de eletrodo de membrana (MEA) projetado para reformar álcool combustível para produzir hidrogênio. Como observado acima, o desempenho de células a combustível que convertem energia química em álcoois diretamente em energia elétrica permanece insatisfatório devido às limitações cinéticas impostas pelos catalisadores de eletrodos de células a combustível. No entanto, é bem conhecido que esses limites cinéticos são bastante reduzidos quando o combustível de hidrogênio é usado. Consequentemente, a presente invenção usa um catalisador ou reformador de reforma para reformar um álcool combustível em hidrogênio, reduzindo ou eliminando assim as limitações cinéticas associadas ao álcool combustível. Combustíveis de álcool são reformados a vapor de acordo com os seguintes exemplos de reação:

Metanol para hidrogénio: CH3OH+H2O→3H2+CO2;

Etanol a hidrogénio: C2H5OH+3H2O→6H2+2CO2.

No entanto, a reação de reforma é altamente endotérmica. Portanto, o reformador deve ser aquecido para obter a força motriz para a reação de reforma. A quantidade de calor necessária é tipicamente cerca de 59 kJ por mol de metanol (equivalente a queimar cerca de 0,25 mol de hidrogênio) e cerca de 190 kJ por mol de etanol (equivalente a queimar cerca de 0,78 mol de hidrogênio).

Como resultado da passagem de corrente elétrica durante a operação das células de combustível, é gerado calor residual, cuja remoção efetiva é problemática. No entanto, a geração desse calor residual faz com que colocar o reformador diretamente próximo à célula de combustível seja uma escolha natural. Tal configuração torna possível fornecer hidrogênio do reformador para a célula de combustível e resfriar a célula de combustível, e permite que a célula de combustível aqueça o reformador e gere uma força motriz para as reações no mesmo. Esta configuração é usada em células de combustível de carbonato fundido e para reações de reforma de metano a uma temperatura de aproximadamente 650°C. No entanto, as reações de reforma de álcool geralmente ocorrem em temperaturas que variam de cerca de 200°C a cerca de 350°C, e nenhuma célula de combustível de reforma de álcool adequada foi ainda desenvolvida.

A presente invenção refere-se a uma célula a combustível usando reforma de álcool. Conforme ilustrado na FIGURA 1, uma célula de combustível 10 de acordo com a presente invenção geralmente inclui uma primeira camada coletora de corrente/difusão de gás 12, um ânodo 12a, uma segunda camada coletora de corrente/difusão de gás 14, um cátodo 14a, um eletrólito 16 e um catalisador de reformação interno 18. Catalisador de reformação interno 18 colocado adjacente ao ânodo 12a. Mais especificamente, o catalisador de reforma 18 é colocado entre a primeira camada de difusão de gás 12 e o ânodo 12a. Qualquer catalisador de reforma adequado conhecido 18 pode ser usado. Exemplos não limitativos de catalisadores de reforma adequados incluem misturas de óxidos de Cu-Zn-Al, misturas de óxidos de Cu-Co-Zn-Al e misturas de óxidos de Cu-Zn-Al-Zr .

Qualquer combustível de álcool como metanol, etanol e propanol pode ser usado. Além disso, o éter dimetílico pode ser usado como combustível.

Historicamente, essa configuração não foi considerada possível para células a combustível de álcool devido à natureza endotérmica da reação de reforma e à sensibilidade do eletrólito ao calor. As células a combustível de álcool típicas usam membranas eletrolíticas de polímero que não podem suportar o calor necessário para acionar o catalisador de reforma. No entanto, os eletrólitos usados ​​nas células de combustível da presente invenção contêm eletrólitos de ácido sólido, tais como os descritos no pedido de patente dos EUA pendente 10/139043, intitulado PROTON CONDUCTING MEMBRANE USING A SOLID ACID, cujo conteúdo total também é incorporado aqui por referência. Um exemplo não limitativo de um ácido sólido adequado para uso como eletrólito na presente invenção é CsH2PO4. Os eletrólitos ácidos sólidos usados ​​nas células de combustível desta invenção podem suportar temperaturas muito mais altas, o que torna possível colocar o catalisador de reforma diretamente adjacente ao ânodo. Além disso, a reação de reforma endotérmica consome o calor gerado nas reações exotérmicas na célula a combustível, formando um sistema termicamente equilibrado.

Esses ácidos sólidos são usados ​​em suas fases superprotônicas e atuam como membranas condutoras de prótons na faixa de temperatura de cerca de 100°C a cerca de 350°C. A extremidade superior desta faixa de temperatura é ideal para a reforma do metanol. A fim de gerar calor suficiente para gerar uma força motriz para a reação de reforma e fornecer condutividade de prótons do eletrólito ácido sólido, a célula de combustível da presente invenção é preferencialmente operada a temperaturas que variam de cerca de 100°C a cerca de 500°C. No entanto, é mais preferido operar a célula de combustível a temperaturas que variam de cerca de 200°C a cerca de 350°C. Além de melhorar muito o desempenho das células a combustível de álcool, as temperaturas de operação relativamente altas das células a combustível de álcool da invenção podem permitir a substituição de catalisadores metálicos caros, como Pt/Ru e Pt no ânodo e no cátodo, respectivamente, com menos materiais catalisadores caros.

Os seguintes exemplos e exemplos comparativos ilustram o desempenho superior das células de combustível de álcool da invenção. No entanto, estes exemplos são apresentados apenas para fins de ilustração e não devem ser tomados como limitantes da invenção a estes exemplos.

Exemplo 1 Célula a Combustível de Metanol

13 mg/cm2 Pt/Ru foi usado como um eletrocatalisador de ânodo. Cu (30% em peso) - Zn (20% em peso) - Al foi usado como catalisador de reforma interna. 15 mg/cm2 Pt foi usado como eletrocatalisador de cátodo. O eletrólito utilizado foi uma membrana CsH 2 PO 4 com espessura de 160 μm. Misturas vaporizadas de metanol e água foram alimentadas no espaço anódico a uma taxa de fluxo de 100 μl/min. Aplicou-se oxigénio humidificado a 30% ao cátodo a um caudal de 50 cm3/min (temperatura e pressão padrão). A razão metanol:água era de 25:75. A temperatura do elemento foi ajustada igual a 260°C.

Exemplo 2 Célula de Combustível de Etanol

13 mg/cm2 Pt/Ru foi usado como um eletrocatalisador de ânodo. Cu (30% em peso) - Zn (20% em peso) - Al foi usado como catalisador de reforma interna. 15 mg/cm2 Pt foi usado como eletrocatalisador de cátodo. O eletrólito utilizado foi uma membrana CsH 2 PO 4 com espessura de 160 μm. Misturas vaporizadas de etanol e água foram alimentadas no espaço anódico a uma taxa de fluxo de 100 μl/min. Aplicou-se oxigénio humidificado a 30% ao cátodo a um caudal de 50 cm3/min (temperatura e pressão padrão). A proporção de etanol:água foi de 15:85. A temperatura do elemento foi ajustada igual a 260°C.

Exemplo Comparativo 1 Célula a Combustível Usando H 2 Puro

13 mg/cm2 Pt/Ru foi usado como um eletrocatalisador de ânodo. 15 mg/cm2 Pt foi usado como eletrocatalisador de cátodo. O eletrólito utilizado foi uma membrana CsH 2 PO 4 com espessura de 160 μm. 3% de hidrogênio umidificado foi fornecido ao espaço anódico a uma taxa de fluxo de 100 µl/min. Aplicou-se oxigénio humidificado a 30% ao cátodo a um caudal de 50 cm3/min (temperatura e pressão padrão). A temperatura do elemento foi ajustada igual a 260°C.

A Figura 2 mostra as curvas entre a densidade de potência e a tensão da célula para os Exemplos 1 e 2 e o Exemplo Comparativo 1. Conforme mostrado, a célula de combustível de metanol (Exemplo 1) atinge uma densidade de potência de pico de 69 mW/cm, a célula atinge uma densidade de potência de pico de 53 mW /cm 2 e uma célula de combustível de hidrogênio (Exemplo Comparativo 1) atinge uma densidade de potência de pico de 80

mW/cm2. Estes resultados mostram que as células de combustível produzidas de acordo com o Exemplo 1 e o Exemplo Comparativo 1 são muito semelhantes, indicando que a célula de combustível de metanol com o reformador apresenta desempenho quase tão bom quanto o da célula de combustível de hidrogênio, o que é uma melhoria significativa. No entanto, conforme mostrado nos seguintes Exemplos e Exemplos Comparativos, ao reduzir a espessura do eletrólito, é alcançado um aumento adicional na densidade de potência.

A célula de combustível foi feita por deposição de lama de CsH 2 PO 4 em um suporte poroso de aço inoxidável que serviu tanto como uma camada de difusão de gás quanto como um coletor de corrente. A camada de eletrocatalisador de cátodo foi primeiro depositada na camada de difusão de gás e depois prensada antes que a camada de eletrólito fosse depositada. Em seguida, foi depositada uma camada de eletrocatalisador anódico, seguida da colocação de um segundo eletrodo de difusão gasosa como camada final da estrutura.

Como eletrodo de ânodo, uma mistura de CsH 2 PO 4 , Pt (50% em peso atômico) Ru, Pt (40% em peso) - Ru (20% em peso) depositado em C (40% em peso) e naftaleno foi usado. A proporção de componentes em uma mistura de CsH2PO4:Pt-Ru:Pt-Ru-C:naftaleno foi de 3:3:1:0,5 (peso). A mistura foi utilizada numa quantidade total de 50 mg. Download Pt e Ru foram 5,6 mg/cm 2 e 2,9 mg/cm 2 respectivamente. A área do eletrodo anódico foi igual a 1,74 cm 2 .

Como eletrodo catódico utilizou-se uma mistura de CsH 2 PO 4 , Pt, Pt (50% em peso), depositado em C (50% em peso), e naftaleno. A proporção de componentes em uma mistura de CsH2PO4:Pt:Pt-C:naftaleno foi de 3:3:1:1 (peso). A mistura foi utilizada numa quantidade total de 50 mg. As cargas de Pt foram de 7,7 mg/cm2. A área do cátodo foi igual a 2,3-2,9 cm 1 .

Como catalisador de reforma utilizou-se CuO (30% em peso) - ZnO (20% em peso) - Al 2 O 3 ie CuO (31% em mol.) - ZnO (16% em peso) - Al 2 O 3 . O catalisador de reformação foi preparado por um processo de co-precipitação usando uma solução de nitrato de cobre, zinco e alumínio (a concentração total de metal foi de 1 mol/l) e uma solução aquosa de carbonatos de sódio (1,1 mol/l). O precipitado foi lavado com água desionizada, filtrado e seco ao ar a 120°C durante 12 horas. O pó seco em uma quantidade de 1 g foi levemente prensado até uma espessura de 3,1 mm e um diâmetro de 15,6 mm, e então calcinado a 350°C por 2 horas.

O eletrólito utilizado foi uma membrana CsH 2 PO 4 com espessura de 47 μm.

Uma solução de metanol-água (43% vol. ou 37% em peso ou 25% mol. ou metanol 1,85 M) foi alimentada através de um evaporador de vidro (200°C) a uma taxa de fluxo de 135 μl/min. A temperatura do elemento foi ajustada igual a 260°C.

A célula de combustível foi preparada de acordo com o exemplo 3 acima, exceto que através do evaporador (200°C) a uma vazão de 114 μl/min foi alimentada não uma mistura de metanol-água, mas uma mistura de etanol-água ( 36% vol. ou 31% da massa ou 15% mol., ou etanol 0,98 M).

A célula de combustível foi preparada de acordo com o exemplo 3 acima, exceto que a uma taxa de fluxo de 100 μl/min, vodka (Absolut Vodka, Suécia) (40% vol. ou 34% em peso, ou 17% mol.) foi fornecido em vez de uma mistura de metanol-água.etanol).

Exemplo Comparativo 2

Uma célula de combustível foi preparada de acordo com o Exemplo 3 acima, exceto que hidrogênio seco a 100 sccm umedecido com água quente (70°C) foi usado em vez de metanol-água.

Exemplo Comparativo 3

Uma célula de combustível foi preparada de acordo com o Exemplo 3 acima, exceto que nenhum catalisador de reforma foi usado e a temperatura da célula foi ajustada para 240°C.

Exemplo Comparativo 4

Uma célula de combustível foi preparada de acordo com o Exemplo Comparativo 2, exceto que a temperatura da célula foi ajustada para 240°C.

A Figura 3 mostra as curvas entre a densidade de potência e a tensão da célula para os Exemplos 3, 4 e 5 e o Exemplo Comparativo 2. Conforme mostrado, a célula de combustível de metanol (Exemplo 3) atinge uma densidade de potência de pico de 224 mW/cm 2 , o que é um aumento significativo potência específica em comparação com a célula de combustível obtida de acordo com o exemplo 1 e com um eletrólito muito mais espesso. Esta célula de combustível de metanol também mostra uma melhoria dramática no desempenho em relação às células de combustível de metanol que não usam um reformador interno, o que é melhor demonstrado na Figura 4. A célula de combustível de etanol (Exemplo 4) também mostra densidade de potência e tensão de célula aumentadas em comparação com uma célula de combustível de metanol célula a combustível de etanol com membrana eletrolítica mais espessa (exemplo 2). No entanto, como mostrado, a célula de combustível de metanol (Exemplo 3) tem um desempenho melhor do que a célula de combustível de etanol (Exemplo 4). Para uma célula de combustível de vodka (Exemplo 5), são alcançadas potências específicas que são comparáveis ​​às de uma célula de combustível de etanol. Conforme mostrado na Figura 3, a célula de combustível de metanol (Exemplo 3) exibe um desempenho que é quase tão bom quanto o da célula de combustível de hidrogênio (Exemplo Comparativo 2).

A Figura 4 mostra as curvas de densidade de potência versus tensão da célula para os Exemplos Comparativos 3 e 4. Conforme mostrado, uma célula de combustível de metanol sem um reformador (Exemplo Comparativo 3) atinge densidades de energia significativamente mais baixas do que aquelas alcançadas com célula de combustível de hidrogênio (exemplo comparativo 4). Além disso, as Figuras 2, 3 e 4 mostram que em comparação com uma célula de combustível de metanol sem reformador (Exemplo Comparativo 3), densidades de potência significativamente mais altas são alcançadas para células de combustível de metanol com reformadores (Exemplos 1 e 3).

A descrição anterior foi apresentada para apresentar as modalidades atualmente preferidas da invenção. Aqueles versados ​​na técnica e tecnologia relevantes a que esta invenção se refere devem entender que mudanças e modificações podem ser feitas nas modalidades descritas sem se desviar substancialmente dos princípios, escopo e espírito desta invenção. Consequentemente, a descrição anterior não deve ser considerada como referindo-se apenas às modalidades específicas descritas, mas deve ser entendida como consistente e fundamentando as reivindicações a seguir, que contêm o escopo mais completo e objetivo da invenção.

1. Célula de combustível, caracterizada pelo fato de que compreende: uma camada eletrocatalítica de ânodo, uma camada eletrocatalítica de cátodo, uma camada de eletrólito contendo um ácido sólido, uma camada de difusão de gás e um catalisador de reformação interno disposto adjacente à camada eletrocatalítica de ânodo, de modo que o catalisador de reformação interno esteja localizado entre a camada eletrocatalítica do ânodo e a camada de difusão de gás e está em contato físico com a camada eletrocatalítica do ânodo.

2. Célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o eletrólito ácido sólido contém CsH 2 PO 4 .

3. Célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o catalisador de reformação é selecionado do grupo que consiste em misturas de óxido de Cu-Zn-Al, misturas de óxido de Cu-Co-Zn-Al e misturas de óxido de Cu-Zn-Al-Zr.

4. Um método de operação de uma célula de combustível, incluindo:





abastecimento de combustível; e operar a célula de combustível a uma temperatura na faixa de cerca de 100°C a cerca de 500°C.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o combustível é álcool.

6. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o combustível é selecionado do grupo que consiste em metanol, etanol, propanol e éter dimetílico.

7. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a célula de combustível é operada a uma temperatura na faixa de cerca de 200°C a cerca de 350°C.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o catalisador de reformação é selecionado do grupo que consiste em misturas de óxido de Cu-Zn-Al, misturas de óxido de Cu-Co-Zn-Al e misturas de óxido de Cu-Zn-Al-Zr.

9. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o eletrólito contém um ácido sólido.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o ácido sólido contém CsH 2 PO 4 .

11. Um método de operação de uma célula de combustível, incluindo:
formação de uma camada eletrocatalítica de ânodo;
formação de uma camada eletrocatalítica de cátodo;
formar uma camada eletrolítica contendo um ácido sólido;
formação de uma camada de difusão de gás e
formar um catalisador de reformação interno adjacente à camada eletrocatalítica de ânodo de modo que o catalisador de reformação interno esteja disposto entre a camada eletrocatalítica de ânodo e a camada de difusão de gás e esteja em contato físico com a camada eletrocatalítica de ânodo;
abastecimento de combustível; e operar a célula de combustível a uma temperatura na faixa de cerca de 200°C a cerca de 350°C.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o combustível é álcool.

13. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o combustível é selecionado do grupo que consiste em metanol, etanol, propanol e éter dimetílico.

14. Processo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o catalisador de reformação é selecionado do grupo que consiste em misturas de óxido de Cu-Zn-Al, misturas de óxido de Cu-Co-Zn-Al e misturas de óxido de Cu-Zn-Al-Zr.

15. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o eletrólito contém um ácido sólido.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o ácido sólido contém CsH 2 PO 4 .

17. Um método de operação de uma célula de combustível, incluindo:
formação de uma camada eletrocatalítica de ânodo;
formação de uma camada eletrocatalítica de cátodo;
formar uma camada eletrolítica contendo um ácido sólido;
formação de uma camada de difusão de gás e
formar um catalisador de reformação interno adjacente à camada eletrocatalítica de ânodo de modo que o catalisador de reformação interno esteja disposto entre a camada eletrocatalítica de ânodo e a camada de difusão de gás e esteja em contato físico com a camada eletrocatalítica de ânodo;
fornecimento de álcool combustível; e operar a célula de combustível a uma temperatura na faixa de cerca de 100°C a cerca de 500°C.

18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o combustível é selecionado do grupo que consiste em metanol, etanol, propanol e éter dimetílico.

19. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a célula de combustível é operada a uma temperatura na faixa de cerca de 200°C a cerca de 350°C.

20. Processo, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o catalisador de reformação é selecionado do grupo que consiste em misturas de óxido de Cu-Zn-Al, misturas de óxido de Cu-Co-Zn-Al e misturas de óxido de Cu-Zn-Al-Zr.

21. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o eletrólito ácido sólido contém CsH 2 PO 4 .

22. Um método de operação de uma célula de combustível, incluindo:
formação de uma camada eletrocatalítica de ânodo;
formação de uma camada eletrocatalítica de cátodo;
formar uma camada eletrolítica contendo um ácido sólido;
formação de uma camada de difusão de gás e
formar um catalisador de reformação interno adjacente à camada eletrocatalítica de ânodo de modo que o catalisador de reformação interno esteja disposto entre a camada eletrocatalítica de ânodo e a camada de difusão de gás e esteja em contato físico com a camada eletrocatalítica de ânodo;
fornecimento de álcool combustível; e operar a célula de combustível a uma temperatura na faixa de cerca de 200°C a cerca de 350°C.

A invenção refere-se a células a combustível de álcool de ação direta usando eletrólitos ácidos sólidos e catalisadores de reforma interna