Disciplina:Motores em Sistemas de Propulsão Alternativos

Células de Combustível

Células de Combustível

• O objetivo de construir sistemas de emissão zero estimulou um interesse crescente no desenvolvimento de células de combustível para aplicações automotivas.

• São dispositivos que geram energia elétrica livre de poluição por meio de reação eletroquímica de hidrogênio com oxigênio, produzindo água como subproduto.

• As células de combustível foram inventadas por Sir William Grove em 1839, mas foram desenvolvidas na década de 1960 para aplicações espaciais, nomeadamente as missões Geminie Apollo e, em seguida, foram amplamente utilizadas no ônibus espacial.

Sir William Robert Grove (1811 – 1896), então aos 38 anos de idade.

Titan II – Missão Gemini 11

Saturno 5 – Missão Apollo VIII

• Estruturalmente, as células de combustível são semelhantes às pilhas, isto é, elas consistem em dois eletrodos (4) separados por um eletrólito (5).

• No entanto, ao contrário das baterias, elas não usam energia previamente acumulada.

O hidrogênio é introduzido na área do ânodo através dos sulcos 1, enquanto o ar é introduzido através dos sulcos 3. O nitrogênio e o vapor de água são esgotados através dos sulcos 7.

• Alimentado por um combustível (hidrogênio) e um oxidante (oxigênio), as células de combustível geram energia elétrica e podem funcionar durante o período de abastecimento de combustível de hidrogênio, mas não são recarregáveis por energia elétrica.

• Desta forma, a reação entre o combustível e o oxidante não é um processo de combustão produzindo calor que mais tarde é convertido em energia mecânica ou elétrica, mas uma reação eletroquímica, produzindo energia diretamente elétrica.

• Por esta razão, a eficiência das células de combustível pode ser maior que a dos dispositivos com base em motores térmicos.

• Os eletrodos de uma célula de combustível são normalmente feitos de grafite com a adição de um catalisador (platina, paládio ou compostos orgânicos-metálicos).

• Podem ser utilizados vários eletrólitos. Os desenvolvimentos mais recentes empregam um eletrólito polimérico sólido, como Nafion (marca do ácido perfluorossulfónico), permeável aos íons de hidrogênio e oxigênio.

• Duas placas condutoras (6) com ranhuras embutidas são usadas para organizar o fluxo dos gases de reação.

• O hidrogênio é introduzido na área do ânodo através de sulcos (1), enquanto o ar é introduzido através de sulcos (3).

• Na área do ânodo, os elétrons são liberados deixando íons de hidrogênio carregados positivamente. O oxigênio, contido no ar e introduzido em torno do cátodo, combina com os íons de hidrogênio, adquirindo elétrons e liberando vapor de água que está esgotado através de sulcos (7).

• A reação química é: 2H+ + 2e- + ½O2 H2O• Uma carga elétrica em 2 pode fechar o circuito utilizando a

energia gerada, que depende da quantidade de hidrogênio e oxigênio absorvido pela célula. Uma única célula de combustível gera ~ 0.8V.

• As células podem ser conectadas em série, formando “baterias” capazes de alimentar um motor elétrico; Neste caso, o tamanho do pacote de energia elétrica é comparável ao do motor de combustão interna convencional correspondente, obviamente, não incluindo o tanque de combustível (hidrogênio).

• Teoricamente, outros combustíveis podem ser usados, mas a maioria das células de combustível são muito sensíveis à intoxicação por monóxido de carbono e impurezas, de modo que operar com combustíveis diferentes do hidrogênio e com oxidantes que não sejam oxigênio puro ou, em alguns casos, por ar (cuidadosamente purificado) é problemático.

• Este é um dos principais motivos que tornam a transferência de tecnologia de células de combustível a partir do campo aeroespacial (onde hidrogênio puro e oxigênio estão facilmente disponíveis e os custos são muito menos um problema) para o campo automotivo tão difícil.

• O catalisador, o eletrólito e a membrana que separa os eletrodos podem ser de diferentes tipos e, consequentemente, existem diferentes tipos de chamadas de combustível, cada um com suas peculiares vantagens e desvantagens para as diferentes aplicações.

• As células de combustível alcalino (AFC) usam um líquido corrosivo como eletrólito e devem ser alimentadas por hidrogênio puro e oxigênio, já que as impurezas no combustível envenenam a célula.

• Sua eficiência é de cerca de 50%, ou um pouco maior.• Elas são usados em aplicações espaciais desde quando foram

desenvolvidas para as missões Gemini; a construção e os custos operacionais são bastante baixos e não requerem equipamentos auxiliares complexos, mas são um pouco volumosas.

• O AFC de hidrogênio-oxigênio para uso espacial é uma tecnologia madura e plenamente desenvolvida.

• Pilhas de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC) usam um eletrólito de polímero e requerem hidrogênio puro como combustível.

• Contaminantes como compostos de enxofre e monóxido de carbono envenenam a célula.

• Devido ao seu design compacto e alta densidade de energia, eles são adequados para uso automotivo, mas requerem equipamentos complexos e dispendiosos, como compressores e bombas, que usam cerca de 30% da energia produzida.

• Apesar disso, sua eficiência é de cerca de 30%.• Eles operam a baixa temperatura, cerca de 80°C.

• Células de combustível de carbonato fundido (MCFC) usam um eletrólito composto por uma mistura de sal de carbonato fundido suspensa em uma matriz cerâmica porosa, quimicamente inerte.

• Eles são tolerantes às impurezas no combustível e podem funcionar com monóxido de carbono.

• Assim, eles aceitam hidrocarbonetos diferentes como o gás natural, que podem ser convertidos em hidrogênio e óxidos de carbono ou gases produzidos a partir de carvão.

• Eles operam a altas temperaturas (650°C), o que reduz sua vida útil.

• A eficiência é de cerca de 60%, mas pode ser aumentada até 85% se o calor residual for reutilizado.

• As células de combustível de ácido fosfórico (PAFC) usam o ácido fosfórico líquido como eletrólito.

• Eles não são afetados pelas impurezas de monóxido de carbono no combustível.

• Sua temperatura operacional é de 150-200°C.• Sua eficiência é baixa (37-42%), mas pode ser aumentada se

o calor residual for reutilizado.• Eles têm uma vida útil limitada e usam um catalisador caro.

• Pilhas de combustível de óxido sólido (SOFC) usam um material de óxido sólido como eletrólito.

• Eles não são afetados por intoxicação por monóxido de carbono e não precisam de catalisador de alto custo, à base de platina, mas são afetados por envenenamento devido a impurezas de enxofre.

• A temperatura de operação é bastante alta, de 500 a 1.000°C.• Devido à alta temperatura, eles podem usar metano, propano

ou butano ou mesmo combustíveis líquidos que são convertidos externamente.

• Sua eficiência pode atingir 60% e pode ser usada para cogeração de energia elétrica e calor, mas a alta temperatura e o lento tempo de inicialização dessas células de combustível são problemáticas para aplicações automotivas.

• Células diretas de combustível de metanol (DMFC).• Elas são semelhantes ao PEMFC, mas usam diretamente o

metanol como combustível.• Sua temperatura operacional está na faixa de 50-120°C, mas

sua eficiência é baixa, cerca de 20%.• Eles não requerem um reformador, mas fornecem uma menor

densidade de energia em comparação com as células de combustível convencionais, embora isso possa ser contrabalançado com as densidades de energia de volume muito melhores de etanol e metanol sobre o hidrogênio.

• Uma vantagem sobre as demais células seria a de que o etanol é um recurso renovável.

• Se forem usadas células de oxigênio-hidrogênio, o produto da reação é água, que pode ser armazenado e novamente convertido em oxigênio e hidrogênio por um eletrólise.

• Esta combinação de célula de combustível e eletrólise é geralmente referida como uma célula de combustível regenerativa e, na prática, funciona como uma bateria recarregável, pois nenhum material é consumido (exceto por algumas perdas) e o sistema precisa apenas de energia.

Submarinos alemães Type 212 utilizam células de combustível fabricadas pela Siemens, empregando hidrogênio comprimido e membranas de troca de prótons (PEM).

U-32 no Mar Báltico

• Muitas pesquisas são atualmente dedicadas às células de combustível para aplicação de veículos, tanto para reduzir seus custos quanto para usar diferentes tipos de combustível.

• A escolha do combustível é bastante limitada: uma alternativa interessante ao hidrogênio é o metano, que é muito mais fácil de armazenar.

• Se a menor densidade de energia não for um problema, o metanol ou ácido fórmico pode ser usado como combustível líquido.

• Desenvolvimentos recentes foram destinados a experimentar células de combustível direto com metanol, onde o álcool é injetado em vez de hidrogênio puro na célula.

• As células de álcool podem resolver os problemas atualmente quase insuperáveis decorrentes do uso em larga escala de hidrogênio, a um custo de baixa eficiência.

• O oxidante geralmente é oxigênio.• Os objetivos atuais dos programas de desenvolvimento de

células de combustível para aplicações automotivas estão reduzindo peso e volume, proporcionando níveis iguais de energia disponível e custos de corte.

• Devem ser desenvolvidos sistemas para armazenar o combustível (hidrogênio) a bordo e na rede de abastecimento - ou para produzir o combustível a bordo, empregando hidrocarbonetos.

• O armazenamento de combustível no veículo é possivelmente o maior problema ao projetar veículos movidos a células de combustível.

• Várias soluções estão sendo consideradas, como armazenar gás hidrogênio em cilindros de alta pressão (300 bar) ou em tanques criogênicos de baixa pressão a baixa pressão.

• Alternativamente, os combustíveis orgânicos (gás natural, metanol, gasolina, diesel) podem ser adequadamente tratados usando sistemas no veículo, para extrair o hidrogênio necessário para alimentar o pacote de células.

• A última abordagem tem a dificuldade de atender a demanda repentina e instantânea de energia durante a aceleração.

• Uma solução pode envolver o uso de baterias auxiliares para obter a resposta instantânea necessária, embora isso aumente o peso e o tamanho da sistema.

• A eficiência média “do tanque a roda” de um veículo de célula de combustível em um ciclo de condução como o NEDC é de cerca de 36%, um valor a ser comparado com 22% de um veículo a diesel, com um máximo de 45% a baixa carga.

• No entanto, se as perdas devidas à produção, transporte e armazenamento de hidrogênio forem levadas em consideração, a eficiência de 36% reduz-se a uma eficiência de energia de 22% se o hidrogênio for armazenado como gás de alta pressão e 17% se for armazenado como hidrogênio líquido.

• De qualquer forma, as células de combustível são eficientes em relação aos motores de combustão, mas não são tão eficientes quanto as baterias.

• NEDC - novo ciclo europeu de condução• Assume uma velocidade média de 33,5 km/h, um

comprimento total de 11,007 km e requer a partida do motor em condições laboratoriais.

• Este ciclo inclui as seguintes seções:• Ciclo de condução urbana (UDC) obtido com quatro sub-ciclos

a serem repetidos por um total de quatro quilômetros: velocidade média de 19 km/h e velocidade máxima de 50 km/h;

• Ciclo de condução urbana extra (EUDC) com um comprimento de sete quilômetros: velocidade média 62 km/h e velocidade máxima de 120 km/h.

Na Europa, os testes de emissão de poluentes seguem a metodologia NEDC.

A metodologia NEDC deve ser substituída ou atualizada em breve (era para ser em 2017).

• Todos os principais fabricantes produziram protótipos de demonstração com unidades alimentadas por células de combustível.

• As arquiteturas do sistema são muito diferentes e refletem os diferentes pontos de vista dos vários fabricantes e seus estabelecimentos de pesquisa.

• Essencialmente, as arquiteturas se enquadram em duas grandes categorias, a saber, os veículos a energia elétrica e os veículos híbridos com motor a energia elétrica.

• Dentro de cada categoria, alguns fabricantes optaram por um sistema de células de combustível de hidrogênio puro (alimentado com hidrogênio em forma de gás ou líquido) enquanto outros estão desenvolvendo sistemas orgânicos de combustível líquido (metanol, gasolina, etc.) usando reformadores para extrair hidrogênio do combustível, com apoio de baterias para os picos de energia em acelerações

• Nos veículos que possuem reformadores de combustível, baterias são usadas para lidar com picos de energia durante as acelerações.

• A variedade de soluções é a prova da incerteza atual em torno da evolução da tecnologia do produto e da viabilidade de produzir novos combustíveis em escala industrial e distribuí-los através de extensas redes.

• Os veículos movidos a células de combustível tornar-se-ão realidade apenas se os acordos internacionais levarem a tecnologia básica a convergir para o desenvolvimento de componentes padronizados e uma rede de distribuição comum para o novo combustível (hidrogénio puro ou outro).

• Por razões óbvias, tais desenvolvimentos devem ser vistos como projetos de longo prazo (30 anos à frente ou mais).

Bibliografia

Giancarlo Genta, Lorenzo Morello, Francesco Cavallino, Luigi Filtri.

The Motor Car: Past, Present and Future, Editora Springer Dordrecht; 1a edição, 2014.

ISBN: 978-94-007-8551-9