células de combustível As células de combustível são fontes de energia química. Eles realizam a conversão direta da energia do combustível em eletricidade, ignorando processos de combustão ineficientes e de alta perda. Este dispositivo eletroquímico, como resultado da combustão "fria" de combustível altamente eficiente, gera eletricidade diretamente.
Os bioquímicos estabeleceram que uma célula de combustível biológica de hidrogênio-oxigênio é "embutida" em cada célula viva (ver Capítulo 2).
A fonte de hidrogênio no corpo é a comida - gorduras, proteínas e carboidratos. No estômago, intestinos e células, eventualmente se decompõe em monômeros, que, por sua vez, após uma série de transformações químicas, dão hidrogênio ligado à molécula transportadora.
O oxigênio do ar entra no sangue através dos pulmões, combina-se com a hemoglobina e é transportado para todos os tecidos. O processo de combinar hidrogênio com oxigênio é a base da bioenergética do corpo. Aqui, sob condições amenas (temperatura ambiente, pressão normal, ambiente aquático), a energia química com alta eficiência é convertida em térmica, mecânica (movimentos musculares), elétrica (rampa elétrica), luz (insetos que emitem luz).
O homem mais uma vez repetiu o dispositivo para obter energia criada pela natureza. Ao mesmo tempo, esse fato indica as perspectivas da direção. Todos os processos na natureza são muito racionais, então os passos para o uso real de células de combustível inspiram esperança para o futuro energético.
A descoberta em 1838 de uma célula de combustível hidrogênio-oxigênio pertence ao cientista inglês W. Grove. Investigando a decomposição da água em hidrogênio e oxigênio, ele descobriu um efeito colateral - o eletrolisador produzia uma corrente elétrica.
O que queima em uma célula de combustível?
Os combustíveis fósseis (carvão, gás e petróleo) são principalmente carbono. Durante a combustão, os átomos de combustível perdem elétrons e os átomos de oxigênio do ar os ganham. Assim, no processo de oxidação, os átomos de carbono e oxigênio são combinados em produtos de combustão - moléculas de dióxido de carbono. Este processo é vigoroso: os átomos e moléculas das substâncias envolvidas na combustão adquirem altas velocidades, o que leva a um aumento de sua temperatura. Eles começam a emitir luz - uma chama aparece.
A reação química da combustão do carbono tem a forma:
C + O2 = CO2 + calor
No processo de combustão, a energia química é convertida em energia térmica devido à troca de elétrons entre os átomos do combustível e o oxidante. Essa troca ocorre aleatoriamente.
A combustão é a troca de elétrons entre os átomos, e a corrente elétrica é o movimento direcionado dos elétrons. Se, no processo de uma reação química, os elétrons forem forçados a realizar trabalho, a temperatura do processo de combustão diminuirá. Em FC, os elétrons são retirados dos reagentes em um eletrodo, cedem sua energia na forma de corrente elétrica e se juntam aos reagentes no outro.
A base de qualquer HIT são dois eletrodos conectados por um eletrólito. Uma célula de combustível consiste em um ânodo, um cátodo e um eletrólito (ver Cap. 2). Oxida no ânodo, ou seja, doa elétrons, o agente redutor (CO ou H2 combustível), os elétrons livres do ânodo entram no circuito externo e os íons positivos são retidos na interface ânodo-eletrólito (CO+, H+). Da outra extremidade da cadeia, os elétrons se aproximam do cátodo, no qual ocorre a reação de redução (adição de elétrons pelo agente oxidante O2–). Os íons oxidantes são então transportados pelo eletrólito para o cátodo.
Na FC, três fases do sistema físico-químico são reunidas:
gás (combustível, oxidante);
eletrólito (condutor de íons);
eletrodo de metal (condutor de elétrons).
Nas células a combustível, a energia da reação redox é convertida em energia elétrica, e os processos de oxidação e redução são separados espacialmente por um eletrólito. Os eletrodos e eletrólitos não participam da reação, mas em projetos reais eles se contaminam com impurezas do combustível ao longo do tempo. A combustão eletroquímica pode ocorrer a baixas temperaturas e praticamente sem perdas. Na fig. p087 mostra a situação em que uma mistura de gases (CO e H2) entra na célula de combustível, ou seja, pode queimar combustível gasoso (ver Cap. 1). Assim, TE acaba por ser "onívoro".
O uso de células de combustível é complicado pelo fato de que o combustível deve ser “preparado” para elas. Para células de combustível, o hidrogênio é obtido por conversão de combustível orgânico ou gaseificação de carvão. Portanto, o diagrama de blocos de uma usina de energia em uma célula de combustível, além das baterias de uma célula de combustível, um conversor DC-AC (ver Capítulo 3) e equipamentos auxiliares, inclui uma unidade de produção de hidrogênio.
Duas direções de desenvolvimento FC
Existem duas áreas de aplicação das células a combustível: energia autônoma e em larga escala.
Para uso autônomo, características específicas e facilidade de uso são as principais. O custo da energia gerada não é o principal indicador.
Para grande geração de energia, a eficiência é um fator decisivo. Além disso, as instalações devem ser duráveis, não conter materiais caros e utilizar combustíveis naturais com custos mínimos de preparação.
Os maiores benefícios são oferecidos pelo uso de células de combustível em um carro. Aqui, como em nenhum outro lugar, a compactação das células de combustível terá efeito. Com o recebimento direto da eletricidade a partir do combustível, a economia deste último será de cerca de 50%.
Pela primeira vez, a ideia de usar células de combustível em engenharia de energia em larga escala foi formulada pelo cientista alemão W. Oswald em 1894. Mais tarde, foi desenvolvida a ideia de criar fontes eficientes de energia autônoma com base em uma célula de combustível.
Depois disso, repetidas tentativas foram feitas para usar o carvão como substância ativa em células de combustível. Na década de 1930, o pesquisador alemão E. Bauer criou um protótipo de laboratório de uma célula a combustível com eletrólito sólido para oxidação anódica direta do carvão. Ao mesmo tempo, células de combustível de oxigênio-hidrogênio foram estudadas.
Em 1958, na Inglaterra, F. Bacon criou a primeira usina de oxigênio-hidrogênio com capacidade de 5 kW. Mas era complicado devido ao uso de alta pressão de gás (2 ... 4 MPa).
Desde 1955, K. Kordesh vem desenvolvendo células de combustível de oxigênio-hidrogênio de baixa temperatura nos EUA. Eles usaram eletrodos de carbono com catalisadores de platina. Na Alemanha, E. Yust trabalhou na criação de catalisadores sem platina.
Após 1960, foram criadas amostras de demonstração e publicidade. A primeira aplicação prática de células de combustível foi encontrada na espaçonave Apollo. Eles eram as principais usinas de energia para alimentar os equipamentos de bordo e forneciam água e calor aos astronautas.
As principais áreas de uso para instalações fora da rede de FC foram aplicações militares e navais. No final da década de 1960, o volume de pesquisas sobre células a combustível diminuiu e, após a década de 1980, voltou a aumentar em relação à energia em larga escala.
A VARTA desenvolveu FCs usando eletrodos de difusão de gás de dupla face. Eletrodos deste tipo são chamados de "Janus". A Siemens desenvolveu eletrodos com densidade de potência de até 90 W/kg. Nos Estados Unidos, o trabalho em células de oxigênio-hidrogênio está sendo realizado pela United Technology Corp.
Na indústria de energia em grande escala, o uso de células de combustível para armazenamento de energia em grande escala, por exemplo, a produção de hidrogênio (ver Cap. 1), é muito promissor. (sol e vento) estão dispersos (veja cap. 4). Seu uso sério, indispensável no futuro, é impensável sem baterias de grande capacidade que armazenam energia de uma forma ou de outra.
O problema da acumulação já é relevante hoje: flutuações diárias e semanais na carga dos sistemas de energia reduzem significativamente sua eficiência e exigem as chamadas capacidades manobráveis. Uma das opções de armazenamento de energia eletroquímica é uma célula de combustível em combinação com eletrolisadores e reservatórios de gás*.
* Suporte de gás [gás + inglês. titular] - armazenamento para grandes quantidades de gás.
A primeira geração de TE
As células de combustível de média temperatura da primeira geração, operando a uma temperatura de 200...230°C com combustível líquido, gás natural ou hidrogênio técnico*, atingiram a maior perfeição tecnológica. O eletrólito neles é o ácido fosfórico, que preenche a matriz de carbono porosa. Os eletrodos são feitos de carbono e o catalisador é de platina (a platina é usada em quantidades da ordem de alguns gramas por quilowatt de potência).
* O hidrogênio comercial é um produto de conversão de combustível fóssil contendo pequenas impurezas de monóxido de carbono.
Uma dessas usinas foi colocada em operação no estado da Califórnia em 1991. Consiste em dezoito baterias pesando 18 toneladas cada e é colocada em uma caixa com um diâmetro de pouco mais de 2 me uma altura de cerca de 5 m. O procedimento de substituição da bateria foi pensado usando uma estrutura de quadro que se move ao longo de trilhos.
Os Estados Unidos entregaram duas usinas de energia para o Japão para o Japão. O primeiro deles foi lançado no início de 1983. O desempenho operacional da estação correspondeu aos calculados. Ela trabalhava com carga de 25 a 80% da nominal. A eficiência atingiu 30...37% - isto está próximo das grandes centrais térmicas modernas. Seu tempo de inicialização a partir de um estado frio é de 4 horas a 10 minutos, e a duração da mudança de energia de zero a completo é de apenas 15 segundos.
Agora, em diferentes partes dos Estados Unidos, estão sendo testadas pequenas usinas combinadas de calor e energia com capacidade de 40 kW com um fator de utilização de combustível de cerca de 80%. Podem aquecer água até 130°C e são colocados em lavandarias, complexos desportivos, pontos de comunicação, etc. Cerca de uma centena de instalações já funcionaram por um total de centenas de milhares de horas. A compatibilidade ambiental das usinas FC permite que elas sejam instaladas diretamente nas cidades.
A primeira usina a combustível de Nova York, com capacidade de 4,5 MW, ocupava uma área de 1,3 hectares. Agora, para novas usinas com capacidade duas vezes e meia maior, é necessário um terreno de 30 x 60 m. Várias usinas de demonstração com capacidade de 11 MW estão sendo construídas. O tempo de construção (7 meses) e a área (30x60 m) ocupada pela usina são marcantes. A vida útil estimada das novas usinas é de 30 anos.
TE de segunda e terceira geração
As melhores características já estão sendo projetadas em plantas modulares com capacidade de 5 MW com células a combustível de média temperatura de segunda geração. Eles operam em temperaturas de 650...700°C. Seus ânodos são feitos de partículas sinterizadas de níquel e cromo, os cátodos são feitos de alumínio sinterizado e oxidado, e o eletrólito é uma mistura de carbonatos de lítio e potássio. A temperatura elevada ajuda a resolver dois grandes problemas eletroquímicos:
reduzir o "envenenamento" do catalisador por monóxido de carbono;
aumentar a eficiência do processo de redução do oxidante no cátodo.
As células de combustível de alta temperatura da terceira geração com um eletrólito de óxidos sólidos (principalmente dióxido de zircônio) serão ainda mais eficientes. Sua temperatura de operação é de até 1000°C. A eficiência das usinas com essas células a combustível é próxima de 50%. Aqui, os produtos da gaseificação de hulha com um teor significativo de monóxido de carbono também são adequados como combustível. Igualmente importante, o calor residual de plantas de alta temperatura pode ser usado para produzir vapor para acionar turbinas de geradores elétricos.
A Vestingaus está no ramo de células de combustível de óxido sólido desde 1958. Desenvolve centrais eléctricas com uma capacidade de 25 ... 200 kW, nas quais pode ser utilizado combustível gasoso de carvão. Instalações experimentais com capacidade de vários megawatts estão sendo preparadas para testes. Outra empresa americana, a Engelgurd, está projetando células de combustível de 50 kW que funcionam com metanol com ácido fosfórico como eletrólito.
Mais e mais empresas em todo o mundo estão envolvidas na criação de células de combustível. A American United Technology e a japonesa Toshiba formaram a International Fuel Cells Corporation. Na Europa, o consórcio belga-holandês Elenko, a empresa alemã ocidental Siemens, a italiana Fiat e a britânica Jonson Metju estão envolvidos em células de combustível.
Victor LAVRUS.
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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.
Descrição:
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 de combustível hidrogênio-ar de membrana de troca de prótons (PEMFC) é uma das tecnologias de combustível mais promissoras. elementos.
Uma membrana de polímero condutor de prótons separa os dois eletrodos, o ânodo e o 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.
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.
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 um ponto de calor, ruído e vibração,
– confiabilidade de partida a frio
– período de armazenamento de energia praticamente ilimitado (sem autodescarga),
– 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,
– longa vida útil,
- respeito pelo meio ambiente e operação silenciosa.
Inscrição:
– sistemas de alimentação para UAVs,
– carregadores portáteis,
– fontes de alimentação ininterrupta,
– Outros dispositivos.
Célula de combustível de hidrogênio da Nissan
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.
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 referida como um 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
Vídeo: célula de combustível de hidrogênio 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. 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). NO
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.
Vídeo: Célula de combustível ou bateria eterna em casa
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 fundos colossais 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 Koisler, Ballard demonstram ônibus e carros que funcionam com 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, diferentemente das fontes tradicionais de energia - 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 elétrico 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.
Vídeo: Carro de célula de combustível de hidrogênio
Grandes esperanças são colocadas no uso de nanotecnologias e nanomateriais, que ajudará a miniaturizar as células de combustível, aumentando sua potência. 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.
Células a combustível, segundo especialistas, podem entrar no mercado de massa nos próximos anos
célula de combustível- o que é isso? Quando e como ele apareceu? Por que é necessário e por que eles são tão frequentemente falados em nosso tempo? Quais são seu escopo, características e propriedades? O progresso imparável requer respostas para todas essas perguntas!
O que é uma célula de combustível?
célula de combustível- esta é uma fonte de corrente química ou um gerador eletroquímico, este é um dispositivo para converter energia química em energia elétrica. Na vida moderna, as fontes de corrente química são usadas em todos os lugares e são baterias para telefones celulares, laptops, PDAs, bem como baterias em carros, fontes de alimentação ininterruptas, etc. A próxima etapa do desenvolvimento dessa área será a ampla distribuição de células a combustível, fato inegável.
História das células de combustível
A história das células de combustível é outra história de como as propriedades da matéria, uma vez descobertas na Terra, foram amplamente utilizadas no espaço e, na virada do milênio, voltaram do céu para a Terra.
Tudo começou em 1839 quando o químico alemão Christian Schönbein publicou os princípios da célula de combustível no Philosophical Journal. No mesmo ano, um inglês, formado em Oxford, William Robert Grove, projetou uma célula galvânica, mais tarde chamada de célula galvânica Grove, que também é reconhecida como a primeira célula a combustível. O próprio nome "célula de combustível" foi dado à invenção no ano de seu aniversário - em 1889. Ludwig Mond e Karl Langer são os autores do termo.
Um pouco antes, em 1874, Júlio Verne, em A Ilha Misteriosa, previu a situação energética atual, escrevendo que "a água um dia será usada como combustível, o hidrogênio e o oxigênio, que a compõem, serão usados".
Enquanto isso, a nova tecnologia de fornecimento de energia foi aprimorada gradualmente e, a partir dos anos 50 do século XX, não passou um ano sem o anúncio das últimas invenções nessa área. Em 1958, o primeiro trator movido a células de combustível surgiu nos Estados Unidos, em 1959. A fonte de alimentação de 5KW para máquina de solda foi lançada, etc. Nos anos 70, a tecnologia do hidrogênio decolou para o espaço: motores de aeronaves e foguetes apareceram no hidrogênio. Na década de 1960, a RSC Energia desenvolveu elementos de combustível para o programa lunar soviético. O programa Buran também não prescindiu deles: foram desenvolvidas células de combustível alcalinas de 10 kW. E no final do século, as células de combustível cruzaram a altitude zero acima do nível do mar - com base nelas, desenvolveram fornecimento de eletricidade submarino alemão. De volta à Terra, em 2009 entrou em operação a primeira locomotiva nos EUA. Naturalmente, em células de combustível.
Em toda a bela história das células de combustível, o interessante é que a roda ainda é uma invenção sem paralelo da humanidade na natureza. O fato é que em seu design e princípio de operação, as células a combustível são semelhantes a uma célula biológica, que, na verdade, é uma célula a combustível de hidrogênio-oxigênio em miniatura. Como resultado, o homem mais uma vez inventou o que a natureza vem usando há milhões de anos.
O princípio de funcionamento das células de combustível
O princípio de operação das células de combustível é óbvio até mesmo no currículo escolar de química, e foi ele quem foi estabelecido nos experimentos de William Grove em 1839. O fato é que o processo de eletrólise da água (dissociação da água) é reversível. Assim como é verdade que quando uma corrente elétrica passa pela água, esta é dividida em hidrogênio e oxigênio, o oposto também é verdadeiro: hidrogênio e oxigênio podem ser combinados para produzir água e eletricidade. No experimento de Grove, dois eletrodos foram colocados em uma câmara na qual porções limitadas de hidrogênio puro e oxigênio foram fornecidas sob pressão. Devido aos pequenos volumes de gás, bem como às propriedades químicas dos eletrodos de carbono, ocorreu uma reação lenta na câmara com liberação de calor, água e, principalmente, com a formação de uma diferença de potencial entre os eletrodos.
A célula de combustível mais simples consiste em uma membrana especial usada como eletrólito, em ambos os lados da qual são depositados eletrodos em pó. O hidrogênio entra em um lado (ânodo) e o oxigênio (ar) entra no outro (cátodo). Cada eletrodo sofre uma reação química diferente. No ânodo, o hidrogênio se decompõe em uma mistura de prótons e elétrons. Em algumas células a combustível, os eletrodos são cercados por um catalisador, geralmente feito de platina ou outros metais nobres, para auxiliar na reação de dissociação:
2H 2 → 4H + + 4e -
onde H 2 é uma molécula de hidrogênio diatômica (a forma na qual o hidrogênio está presente como um gás); H+ - hidrogênio ionizado (próton); e - - elétron.
No lado do cátodo da célula de combustível, prótons (passados pelo eletrólito) e elétrons (que passaram pela carga externa) se recombinam e reagem com o oxigênio fornecido ao cátodo para formar água:
4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O
Reação geral na célula de combustível é escrito da seguinte forma:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
O funcionamento de uma célula de combustível baseia-se no fato de que o eletrólito passa prótons por si mesmo (em direção ao cátodo), mas os elétrons não. Os elétrons se movem em direção ao cátodo ao longo do circuito condutor externo. Esse movimento de elétrons é a corrente elétrica que pode ser usada para alimentar um dispositivo externo conectado à célula de combustível (uma carga como uma lâmpada):
Em seu trabalho, as células de combustível usam combustível de hidrogênio e oxigênio. A maneira mais fácil é com oxigênio - é retirado do ar. O hidrogênio pode ser fornecido diretamente de um determinado recipiente ou separando-o de uma fonte externa de combustível (gás natural, gasolina ou álcool metílico - metanol). No caso de uma fonte externa, ela deve ser convertida quimicamente para extrair o hidrogênio. Atualmente, a maioria das tecnologias de células de combustível que estão sendo desenvolvidas para dispositivos portáteis usa metanol.
Características da célula de combustível
eles só funcionam enquanto o combustível e o oxidante são fornecidos por uma fonte externa (ou seja, eles não podem armazenar energia elétrica),
a composição química do eletrólito não muda durante a operação (a célula de combustível não precisa ser recarregada),
são completamente independentes da eletricidade (enquanto as baterias convencionais armazenam energia da rede elétrica).
As células de combustível são análogas às baterias existentes no sentido de que em ambos os casos a energia elétrica é obtida a partir da energia química. Mas também existem diferenças fundamentais:
Cada célula de combustível cria tensão em 1V. Mais tensão é alcançada conectando-os em série. O aumento da potência (corrente) é realizado através de uma conexão paralela de cascatas de células a combustível conectadas em série.
Para células de combustível sem limite rígido de eficiência, quanto às máquinas térmicas (a eficiência do ciclo de Carnot é a máxima eficiência possível entre todas as máquinas térmicas com as mesmas temperaturas mínima e máxima).
Alta eficiência através da conversão direta da energia do combustível em eletricidade. Se o combustível é queimado primeiro em grupos geradores a diesel, o vapor ou gás resultante aciona uma turbina ou eixo de motor de combustão interna, que por sua vez aciona um gerador elétrico. O resultado é uma eficiência máxima de 42%, mais frequentemente é de cerca de 35-38%. Além disso, devido às muitas ligações, bem como devido às limitações termodinâmicas na eficiência máxima dos motores térmicos, é improvável que a eficiência existente seja aumentada. Para células de combustível existentes A eficiência é de 60-80%,
Eficiência quase não depende do fator de carga,
A capacidade é várias vezes maior do que as baterias existentes
Completo sem emissões prejudiciais ao meio ambiente. Apenas vapor de água limpo e energia térmica são emitidos (ao contrário dos geradores a diesel, que possuem emissões poluentes e exigem sua remoção).
Tipos de células de combustível
células de combustível classificado pelos seguintes motivos:
por combustível usado
pressão e temperatura de trabalho,
de acordo com a natureza do pedido.
Em geral, existem os seguintes tipos de células de combustível:
Células de combustível de óxido sólido (SOFC);
Célula a combustível com membrana de troca de prótons (Célula a combustível de membrana de troca de prótons - PEMFC);
Célula a Combustível Reversível (RFC);
Célula de combustível de metanol direto (Célula de combustível de metanol direto - DMFC);
Célula de combustível de carbonato fundido (Células de combustível de carbonato fundido - MCFC);
Células de combustível de ácido fosfórico (PAFC);
Células de combustível alcalinas (AFC).
Um dos tipos de células de combustível que operam em temperaturas e pressões normais usando hidrogênio e oxigênio são os elementos com membrana de troca iônica. A água resultante não dissolve o eletrólito sólido, flui para baixo e é facilmente removida.
Problemas de célula de combustível
O principal problema das células a combustível está relacionado à necessidade de hidrogênio "empacotado", que pode ser adquirido livremente. Obviamente, o problema deve ser resolvido com o tempo, mas até agora a situação causa um leve sorriso: o que vem primeiro - a galinha ou o ovo? As células de combustível ainda não estão avançadas o suficiente para construir usinas de hidrogênio, mas seu progresso é impensável sem essas usinas. Aqui também notamos o problema da fonte de hidrogênio. Atualmente, o hidrogênio é produzido a partir do gás natural, mas o aumento dos custos de energia também aumentará o preço do hidrogênio. Ao mesmo tempo, a presença de CO e H 2 S (sulfeto de hidrogênio) é inevitável no hidrogênio do gás natural, que envenena o catalisador.
Os catalisadores comuns de platina usam um metal muito caro e insubstituível na natureza - a platina. No entanto, este problema está planejado para ser resolvido usando catalisadores baseados em enzimas, que são uma substância barata e de fácil produção.
O calor também é um problema. A eficiência aumentará drasticamente se o calor gerado for direcionado para um canal útil - para produzir energia térmica para o sistema de fornecimento de calor, para usá-lo como calor residual na absorção máquinas de refrigeração etc.
Células a Combustível de Metanol (DMFC): Aplicação Real
Células a Combustível de Metanol Direto (DMFC) são do maior interesse prático hoje. Um laptop Portege M100 rodando em uma célula de combustível DMFC se parece com isso:
Um circuito DMFC típico contém, além do ânodo, cátodo e membrana, vários componentes adicionais: um cartucho de combustível, um sensor de metanol, uma bomba de circulação de combustível, uma bomba de ar, um trocador de calor, etc.
O tempo de operação, por exemplo, de um laptop em comparação com as baterias está planejado para ser aumentado em 4 vezes (até 20 horas), um telefone celular - até 100 horas no modo ativo e até seis meses no modo de espera. A recarga será feita adicionando uma porção de metanol líquido.
A principal tarefa é encontrar opções para usar a solução de metanol com sua maior concentração. O problema é que o metanol é um veneno bastante forte, letal em doses de várias dezenas de gramas. Mas a concentração de metanol afeta diretamente a duração do trabalho. Se uma solução de metanol de 3-10% foi usada anteriormente, telefones celulares e PDAs usando uma solução de 50% já apareceram e, em 2008, em condições de laboratório, MTI MicroFuel Cells e, um pouco mais tarde, Toshiba, obtiveram células de combustível que funcionam em metanol puro.
As células de combustível são o futuro!
Finalmente, o fato de a organização internacional IEC (International Electrotechnical Commission), que define padrões industriais para dispositivos eletrônicos, já ter anunciado a criação de um grupo de trabalho para desenvolver um padrão internacional para células a combustível em miniatura, fala do grande futuro óbvio do combustível células.
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 são agora cada vez mais usadas em uma variedade de áreas - como usinas de energia estacionárias, fontes autônomas de calor e energia para 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 gerar 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 geração 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 |
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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 eletricidade 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) |
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Figura 6 () Moléculas de hidrogênio através dos canais na placa entram no ânodo, onde as moléculas são decompostas em átomos individuais |
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Figura 7 () Como resultado da quimissorção na presença de um catalisador, os átomos de hidrogênio são convertidos em prótons. |
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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. |
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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 -, se transformam em íons de hidrogênio carregados positivamente H +, ou seja, 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 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 célula de combustível separada 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 no combustível pode ser convertida em energia elétrica. Aproximadamente a mesma quantidade, cerca de 40% da energia do combustível, pode ser convertida em energia térmica, 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 a 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 passar por ela, 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 a 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 |
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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.
Nesse 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 usaram 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. Nesse 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.
