INFLUÊNCIA DOS AGENTES REDUTORES NA
PERFORMANCE DAS PILHAS DE COMBUSTÍVEL DE MEMBRANA
ÍNDICE Página nº
1) Introdução 1.1) O problema ecológico. 3 1.2) Conceitos fundamentais. 5 1.3) O que é uma pilha de combustível? 5 1.4) História das pilhas de combustível 6 8
2) Princípio de funcionamento de uma pilha de combustível 2.1) Processo electroquímico das pilhas de combustível 8 2.2) Potencial de Nernst de uma pilha de combustível 10 2.3) Energia livre de Gibs 11
3) Tipos de Pilhas de Combustível
3.1) Pilhas de combustível Alcalinas (AFC - Alkaline Fuel Cell ) 13 3.2) Pilhas de combustível de ácido fosfórico (PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell) 15 3.3) Pilhas de combustível de carbonatos fundidos (MCFC – Molten Carbonate Fuel cell) 16 3.4) Pilhas de combustível de óxido sólido (SOFC – Solid oxide fuel Cell) 18 3.5) Pilhas de combustível de polímero sólido (SPFC - Proton Exchange Membrane) 20 3.6) Resumo das características das diferentes pilhas de combustível 21
4) Hidretos Metálicos 4.1) Definição 23 4.2) Classificação 23 4.3) Utilização no armazenamento do hidrogénio 23
5) Desenvolvimento em Portugal das Pilhas de Combustível 5.1) Projecto CUTE (Clean Urban Transport for Europe) 25
6) Parte Experimental 6.1) Objectivos 27 6.2) Método Experimental 27 6.3) Material Utilizado 28 6.4) Análise da influência da concentração do electrólito NaOH no comportamento da pilha 30 6.5) Análise da influência da quantidade de combustível NaBH4 no comportamento da pilha 34 6.6) Análise da influência da concentração do combustível NaBH4 na solução 35 6.7) Análise da influência da distância entre os dois eléctrodos no comportamento da pilha 40 6.8) Projecto de uma nova pilha de combustível mais pequena (kit 1) 41
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6.9) Projecto de uma nova pilha de combustível com quatro células (kit2) 46 6.10) Comparação dos hidretos NaBH4 e C2H10BN 51
7) Bibliografia 55
8) Agradecimentos 56
9) Anexos 57
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1) Introdução
1.1) O problema ecológico
“Dois graves problemas ameaçam hoje a humanidade: o holocausto nuclear e o colapso
ecológico.
Quanto ao primeiro, pensou-se que estava já suficientemente afastado do nosso horizonte,
pelo entendimento entre as duas grandes potências nucleares, a América e a União Soviética e
pelo medo do desencadear de uma explosão atómica por um qualquer dos lados. Trata-se, no
entanto, de um optimismo exagerado. O acesso às tecnologias que permitem o fabrico de armas
nucleares é hoje relativamente fácil, de tal modo que podemos interrogar-nos se é possível
travar a evolução técnica, que caminha no sentido de um acesso cada vez mais fácil ao fabrico
daquelas armas, até mesmo por grupos terroristas. Trata-se, pois, de um perigo real, que não
está afastado do nosso horizonte vital.
O outro perigo para a sobrevivência da humanidade, o ecológico, não é menos real.
Ecologia é um termo criado em 1868 por E.Haeckel, para designar a ciência que estuda as
relações existentes entre os organismos vivos e seu ambiente. Hoje sabe-se que entre os seres
vivos entre si e com a Natureza inanimada existe uma correlação de forças que, se for
perturbada por um qualquer desequilíbrio, pode pôr em risco a sua existência.
O homem, que sempre se integrou na natureza ambiente, a partir do desenvolvimento da
ciência e da técnica, tem-se colocado numa posição frontal com a natureza de que faz parte.
Procura dominá-la e extrair dela, por vezes de forma incontrolada, todas as que ela lhe pode
oferecer. Não só não se tem preocupado com o esgotamento das reservas naturais ou com a
preservação das espécies, como também com a poluição, produzida pelos métodos tecnológicos
que utiliza para a transformação das matérias-primas que extrai da natureza. O perigo destes
comportamentos é real e para ele têm chamado a atenção muitos cientistas. O homem dispões
hoje de um poder tecnológico espantoso, que lhe permite colocar as forças da natureza ao seu
serviço. Infelizmente trata-se de um poder ambivalente, pois é também um poder de destruição
tão eficaz, que pode inviabilizar a vida, num futuro próximo, neste planeta que é a sua
habitação.
Alguns dos recursos naturais de que o homem conseguiu apoderar-se não são inesgotáveis.
Pelo contrário já hoje é possível prever o tempo que resta para o seu esgotamento, ao ritmo
actual de consumo. Por outro lado, a manipulação desses recursos produz grande quantidade
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de resíduos, muitos dos quais só a longo prazo serão absorvidos pela natureza. Calcula-se que,
ao ritmo actual de consumo, as reservas de gás natural durarão apenas 35 anos, as de petróleo
70 anos e as de carvão 500 anos. Isto só para referir algumas das riquezas naturais mais
conhecidas e procuradas. O ritmo do consumo não tende a estabilizar, mas a crescer de forma
exponencial.
Toda a gente conhece hoje o chamado “efeito de estufa”, provocado pela emissão contínua
para a atmosfera de gazes resultantes das indústrias e do tráfego automóvel. A propósito
escrevia-se recentemente num dos nossos jornais: “O aquecimento climático afecta já centenas
de animais e plantas e, dentro de algumas décadas, poderá causar a extinção de várias espécies,
de acordo com um estudo publicado pela revista científica inglesa Nature.
Trata-se, pois, de um problema ético e o consenso existe o nível da análise da situação e
mesmo quanto à necessidade e urgência de inverter aquela tendência da actividade humana
destruidora da natureza. Mas, no que toca aos meios a utilizar e à urgência de os pôr em
prática, aí já não há consenso. Várias conferências internacionais têm sido promovidas, na
busca desse consenso, mas o resultado final tem sido desanimador. Os custos das medidas a
implementar são por certo pesados e os países mais desenvolvidos não estão dispostos a
abdicar do seu nível de vida…”
GONÇALVES MOREIRA
In Jornal “ A voz Portucalense” 6 fev 2003
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1.2) Conceitos Fundamentais
Electrólito: Meio que proporciona a migração dos iões do cátodo para o ânodo. Eléctrodos: Zonas onde se dão as reacções electroquímicas. Ânodo: Eléctrodo onde se libertam os electrões, ou seja onde se dá a reacção de oxidação. Cátodo: Eléctrodo que capta os electrões, ou seja onde se dá a reacção de redução. Membrana: Actua como interface entre o eléctrodo e o electrólito. Oxidação: Quando uma partícula (átomo, molécula ou ião) cede electrões. Redução: Quando uma partícula capta electrões. Redutor: Espécie química capaz de ceder electrões, oxidando-se. Oxidante: Espécie química capaz de receber electrões, reduzindo-se.
1.3) O que é uma pilha de combustível ?
Uma pilha de combustível é um dispositivo electroquímico onde um combustível e um
oxidante reagem directamente, produzindo electricidade. Além de eficientes, as pilhas de
combustível apresentam a vantagem de serem silenciosas e não poluentes.
Figura nº 1: Estrutura base de uma pilha de combustível
Numa pilha de combustível, as reacções de oxidação e redução são separadas por um
electrólito. A separação destas duas reacções resulta na produção de uma carga negativa no
ânodo e positiva no cátodo.
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Os Veículos a pilha de combustível “poupam-nos” dos ruídos incomodativos dos motores
tradicionais, uma vez que a produção de energia não está dependente nem da combustão nem do
movimento de elementos mecânicos.
Se se utilizar directamente o hidrogénio o produto da reacção é apenas vapor de água.
Consequentemente, um veículo que utilize este tipo de sistema de propulsão é classificado como
veículo de emissões nulas - ZEV (Zero Emission Vehicle).
Figura nº2: Autocarro movido a pilha de combustível
Outra das vantagens das pilhas de combustível é o facto de a temperatura de operação ser
relativamente baixa, o que evita a produção de óxidos de azoto ( ). Os contribuem
para a poluição do ar nos grandes centros urbanos e para degradação das fachadas dos prédios.
XNO XNO
1.4) História das pilhas de combustível
Por estranho que pareça, a tecnologia das pilhas de combustível já existe há muito tempo, na
verdade, trata-se de um método de gerar energia que é 40 anos mais velho do que o motor a
petróleo de combustão interna. William Grove (1811-1896) ao realizar experiências de
electrólise pensou que poderia ser possível reverter o processo e gerar electricidade pondo em
reacção o hidrogénio com o oxigénio. É assim que, numa experiência clássica realizada em
1839, Grove constrói aquilo que é considerado a primeira pilha de combustível.
Um outro momento importante na história das pilhas de combustível teve lugar nos anos 60
quando a NASA descobriu que as pilhas de combustível poderiam ser fontes de energia
adequadas para voos espaciais que vão para além de 14 dias. As baterias não recarregáveis, por
um lado, não duram o suficiente e os painéis fotoeléctricos, por outro, requerem luz solar que
não se consegue obter quando a nave se localiza na sombra da Terra. Esta aposta da NASA nas
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pilhas de combustível abriu caminho para a renovação do interesse no desenvolvimento desta
tecnologia que teve lugar nos anos 90.
Tendo em conta que o desenvolvimento das pilhas de combustível esteve no início muito
ligado ao contexto espacial, pensava-se que pilhas de combustível de pequena dimensão para
veículos eléctricos surgiriam primeiro, ao que se seguiriam unidades estacionárias de grandes
dimensões para produção de energia. A ordem acabou por ser a inversa, e duas razões são
apontadas para esta inesperada inversão: por razões várias, há mais mercado para aplicações
estacionárias, por um lado; por outro, as pilhas de combustível estacionárias de grande dimensão
não enfrentam a resistência de um poderosíssimo lobby, como o dos construtores automóveis.
Com a desregulamentação, em muitos países, da indústria da electricidade em meados dos
anos 90 e o possível desmantelamento das grandes centrais eléctricas centralizadas, ganharam
novo alento os esforços de comercialização de pilhas de combustível para residências e
empresas. Existem, no entanto, algumas vantagens associadas a este tipo de pilhas de
combustível: permitem a descentralização da produção de energia eléctrica, sendo que a
electricidade assim produzida é mais fiável do que a da rede. A produção descentralizada de
electricidade através de pilhas de combustível tem especial interesse para actividades que
continuamente dependem muito de energia eléctrica de qualidade e, por outro lado, permitem
fazer chegar energia a ilhas ou zonas remotas (onde a rede dificilmente chegaria).
Existe ainda um outro tipo de pilhas de combustível muito pequenas destinadas a alimentar
telemóveis, computadores portáteis e instrumentos eléctricos de mão. Por exemplo, uma pilha de
combustível desenvolvida para alimentar telemóveis é capaz de oferecer 50 vezes mais tempo de
conversação do que as baterias convencionais.
As pilhas de combustível possuem deste modo tanto aplicações estacionárias (por exemplo,
centrais energéticas de grande escala e habitações/empresas) como móveis (veículos, barcos e
aplicações de mão como, por exemplo, telemóveis).
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2) Princípio de funcionamento das Pilhas de Combustível 2.1) Processo electroquímico das pilhas de combustível
Na reacção electroquímica de uma pilha de combustível intervêm um agente oxidante e um
agente redutor. Os agentes oxidante e redutor vão ser respectivamente reduzido e oxidado nos
eléctrodos que lhes correspondem, e daí surgem as espécies iónicas intervenientes na reacção.
Desta resulta a água, um subproduto típico das pilhas de combustível. Dependendo do tipo de
pilha de combustível poder-se-ão ou não formar outros produtos. O agente redutor é o
combustível que fornecemos. Chamamos-lhe combustível por ser o reagente de maior
fornecimento, e é aquele que eventualmente necessita ser obtido e elaborado. Para combustível
usa-se um gás (ou líquido) que ao ser reduzido forneça o ião hidrogénio H+, aliás um protão, à
solução. O oxidante é geralmente proveniente de uma fonte disponível naturalmente (como o ar).
Contudo, qualquer substância passível de ser boa oxidante serve para a pilha, tal como
qualquer bom redutor servirá de combustível. Para oxidante escolhe-se uma partícula que
facilmente se reduza, ficando sob a forma de um de dois aniões: o ião óxido, ou o ião
hidroxilo . O mais popular é o oxigénioO . Para além de ser facilmente armazenado, é
altamente disponível (no ar) e pode ser directamente aplicado sob a forma gasosa.
−2O−OH 2
Figura nº 3: Principio de funcionamento de uma Pilha de Combustível
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O facto de queremos o par de iões com hidrogénio e oxigénio resulta de várias razões.
Primeiro, o produto resultante da sua combinação é a água, que é não poluente. A segunda é a
enorme disponibilidade dos reagentes. A terceira é o facto de o par de iões do oxigénio e
hidrogénio ser aquele que reúne, para além dos prós antes apresentados, o maior potencial de
eléctrodo padrão. Esse potencial é consequência da disparidade dos valores de electro
negatividade do oxigénio e hidrogénio. É à reactividade entre os iões provenientes do
combustível e do oxidante que se deve a sua aproximação e combinação no electrólito, da qual
resulta a água. Da continuidade da reacção electrolítica obtém-se as sucessivas reacções de
oxidação e redução nos eléctrodos, que aceitam electrões do agente redutor e os cedem ao
oxidante. Este movimento de electrões no circuito externo é a corrente eléctrica. À tendência que
provoca o fluxo iónico no electrólito chamamos força electromotriz (f.e.m.), e é a ela que
devemos a tensão da pilha.
O processo electroquímico das pilhas de combustível pode ser dividido em três partes:
−+ +→ eHH 222 → A oxidação do , que ocorre junto ao ânodo, fazendo com que este
passe a
2H+H , produzindo assim dois protões ( +H2 ), que vão atravessar o electrólito e libertando
ao mesmo tempo dois electrões ( ) que se vão deslocar através do circuito exterior. −e2
−− →+ 22 2
21 OeO → A redução do , que ocorre junto do cátodo, proveniente do ar,
através dos electrões que recebe do eléctrodo, vindos do circuito externo, provocando assim o
aparecimento de aniões perto do cátodo, o movimento dos electrões através do circuito
externo vindos do ânodo para o cátodo gera uma corrente eléctrica.
2O
−2O
OHOH 222 →+ −+ → A nível do electrólito existem iões positivos ( +H ) e negativos ( )
provenientes das reacções que ocorrem a nível da interface dos eléctrodos. Estes iões ligam-se
entre si, através de um processo químico e formam água.
−2O
Analisando globalmente as três equações anteriores, pode-se escrever a equação química
global do processo, que resume as anteriores:
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calorDCeléctricaenergiaOHOH ++→+ )(21
222
Ou seja, adicionando-se hidrogénio e oxigénio obtém-se água, corrente eléctrica e calor.
2.2) Potencial de Nernst de uma pilha de combustível
A performance ideal de uma pilha de combustível é definida pelo seu potencial de Nernst, que
é equivalente à tensão da pilha em vazio. A tensão de Nerst fornece uma relação entre o
potencial(¹) ideal normalizado(²) (Eº) para a reacção global da pilha e o potencial ideal de
equilíbrio (E) a temperaturas e pressões parciais do reagentes e produtos, diferentes das
normalizadas.
Para a seguinte equação química OHOH 222 21
→+ , que representa o funcionamento geral
de uma pilha de combustível alcalina, a equação de Nerst escreve-se da seguinte forma:
])(
ln[)2
(2
22
21
0
OH
OH
PPP
FRTEE
×+=
0E ( potencial padrão da célula , (V) )
R (Constante de Boltzmann) = 8,315J/K.mol;
F (Constante de Faraday) = 96 500 C/mol ;
T= temperatura em Kelvin
(¹) O potencial de Nerst normalizado (Eº) é a tensão ideal da pilha às condições normalizadas. Inclui as perdas
existentes, que se verificam na pilha em funcionamento, portanto, pode-se interpretar como a tensão em vazio.
(²) As condições normalizadas são: pressão de uma atmosfera, temperatura de 25ºC (77ºF) e concentração 1M.
O potencial ideal normalizado de uma pilha (Eº) é de 1,229 volt, quando se tem como
produto água no estado líquido e 1,18 com água no estado gasoso. Estes valores são exibidos em
vários livros de química como sendo o potencial de oxidação do hidrogénio. Este potencial
também pode ser descrito como uma variação no valor da energia livre de Gibbs para a reacção
do hidrogénio e do oxigénio.
22 / OH
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2.3) Energia Livre de Gibbs
O conceito de energia livre de Gibbs, tem origem na segunda lei da Termodinâmica que diz o
seguinte: A entropia do Universo aumenta numa transformação espontânea e mantém-se
constante numa situação de equilíbrio.
Como o universo é constituído pelo sistema e pelo meio ambiente ou meio exterior, a variação
de entropia no universo (∆ ) para qualquer processo é a soma das variações de entropia no
sistema (∆ ) e no meio exterior (
univS
sisS meioS∆ ). Podemos exprimir matematicamente a segunda lei
da termodinâmica da seguinte forma:
Um processo espontâneo: ∆Suniv = ∆Ssis + ∆Smeio > 0
Uma situação de equilíbrio: ∆Suniv = ∆Ssis + ∆Smeio = 0
A partir da equação (1), e sabendo que ∆Smeio = -∆Hsis / T , onde H é a entalpia e T é a
temperatura, podemos escrever a equação (1) como:
∆Suniv = ∆Ssis - ∆Hsis / T > 0 - T∆Suniv = ∆Hsis - T∆Ssis < 0
Esta equação indica que um processo que se dá à temperatura T é espontâneo, se as variações
da entalpia (∆H) e de entropia (∆H) do sistema forem tais que ∆Hsis - T∆Ssis seja menor que
zero. Introduzindo a noção da função termodinâmica, chamada energia de Gibbs (G),
G = H - TS
∆G = ∆H - T∆S
e comparando a respectiva variação ∆G com o resultado obtido anteriormente, podemos concluir
que as condições para a espontaneidade e equilíbrio de processos a temperaturas e pressões
constantes, podem ser resumidas da seguinte forma em função da denominada variação de
energia de Gibbs:
∆G < 0 Uma reacção espontânea no sentido directo.
∆G > 0 Uma reacção não espontânea. A reacção é espontânea no sentido inverso.
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∆G = 0 Uma situação de equilíbrio. Não há uma variação global das propriedades
do sistema.
Neste contexto, a energia de Gibbs é simplesmente a energia disponível para realizar trabalho e
daí o seu também conhecido nome de “energia livre”. Assim vimos que uma variação
(decréscimo) da energia de Gibbs num processo espontâneo é a energia disponível para produzir
trabalho.
Numa pilha galvânica, a energia química, é convertida em energia eléctrica. A energia
eléctrica é neste caso o produto da f.e.m. da pilha pela carga eléctrica total ( em coulomb ) que
atravessa a pilha. A carga total é determinada pelo número de moles de electrões (n) que passa
através do circuito. Por definição, a carga total (Q) é, Q = nF, em que F, a constante de Faraday,
é a carga eléctrica contida numa mole de electrões.
Welec = Wmax = -nFEpilha , como
∆G = Wmax
∆G = -nFEpilha
Portanto, o trabalho eléctrico máximo que se pode obter de uma PC, operando a uma
temperatura e pressão constantes, está relacionado com a variação da energia livre de Gibbs das
reacções electroquímicas que ocorrem no interior da PC. De notar que para reacções em que os
reagentes e os produtos estão no estado padrão, a equação anterior transforma-se em:
∆Gº = -n·F·Eºpilha
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3) Tipos de pilhas de combustível
Existem diferentes tipos de pilhas de combustível, que variam essencialmente pelas
substâncias que fornecem o par /−2O +H ou par /−OH +H ao electrólito, pelo tipo de
componentes e pela temperatura a que operam.
3.1) Pilhas de combustível Alcalinas (AFC - Alkaline Fuel Cell )
Este tipo de pilha foi desenvolvido no âmbito da investigação espacial nomeadamente nas
missões Apollo e Space Shuttle. Actuam a baixas temperaturas (40-90ºC) e têm uma eficiência
na ordem dos 70% ao converter a energia química do combustível em electricidade. Neste tipo
de pilhas de combustível o electrólito utilizado é uma solução de hidróxido de potássio (KHO), a
principal característica desta pilha é o facto deste ser alcalino, ou seja o ião condutor é o .
As AFC apresentam tipicamente uma potência que vai desde os 300Watts até os 5KW.
−OH
Figura nº 4: Princípio de funcionamento de uma pilha AFC
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Vantagens:
O funcionamento destas pilhas a baixas temperaturas minimiza os problemas ligados à
corrosão dos elementos que constituem a pilha. O elevado custo de produção tem sido o factor
responsável por um atraso no desenvolvimento deste tipo de pilhas de combustível, quando
comparado com o desenvolvimento das PEFC ou PAFC.
Desvantagens:
Um dos problemas associados a este tipo de pilhas está ligado com o electrólito (KHO) que
reage facilmente com o dióxido de carbono ( ) para formar carbonatos de sódio que para
além de degradarem gradualmente o electrólito provoca a obstrução dos poros dos eléctrodos.
2CO
Potenciais mercados:
Nos últimos tempos tem sofrido notáveis desenvolvimentos com o objectivo de diminuir o seu
custo de produção e torna-la mais acessível para aplicações terrestres. Num futuro a longo prazo,
prevê-se a sua aplicação em transportes terrestres (autocarros urbanos de transporte público) e
aplicações de tracção eléctrica (locomotivas).
Reacções electroquímicas que ocorrem na vizinhança dos eléctrodos são as seguintes:
No ânodo, eléctrodo negativo da pilha, ocorrem as reacções de oxidação que se traduzem
numa perda de electrões por parte das substâncias activas, e/ou num desgaste do eléctrodo no
caso de se tratar de ânodo de sacrifício.
Ânodo: −− +→+ elOHaqOHgH 2)(2)(2)( 22
No cátodo, eléctrodo positivo da pilha, dão-se as reacções de redução que se traduzem num
ganho de electrões por parte das substâncias activas e/ou num aumento do peso dos eléctrodos
caso ocorram deposições de matéria – eléctrodos activos.
Cátodo: )(22)()(21
22 aqOHelOHgO −− →++
A reacção global de uma pilha de combustível alcalina é do tipo:
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Pilha AFC: )()(21)( 222 lOHgOgH →+
O potencial da célula é de 1,2V.
3.2) Pilhas de combustível de ácido fosfórico ( PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell)
Este tipo de pilha requer o uso de um electrocatalisador como a platina ou outro metal nobre e
utiliza-se o ácido fosfórico como electrólito. A pobre condutibilidade do electrólito, o baixo
coeficiente de difusão do O2 leva à necessidade de se utilizarem temperaturas entre 190-220ºC.
O rendimento da PAC eleva-se a 85% se usada em sistemas de cogeração devido ao
aproveitamento térmico. Estas pilhas de combustível quando alimentadas com gás natural requer
que este seja transformado num gás rico em hidrogénio, posteriormente usado como
combustível. Outros combustíveis podem ser utilizados, tais como o metanol, etanol, biogás,
implicando todavia cuidados adicionais, afim, de evitar a corrosão do ânodo pelo monóxido de
carbono e os hidrogenossulfatos que podem estar presentes nestes combustíveis.
O sistema das PAFC é mais indicado para utilizações em aplicações terrestres. Este tipo de
pilhas já se encontra em comercialização, já foram instalados em todo o mundo mais de 200
sistemas diferentes de pilhas PAFC - hospitais, escola, hotéis edifícios de escritórios, terminais
de aeroportos, estações de tratamento de água, etc. As PAFC apresentam tipicamente uma
potência na ordem dos 200KW e já foram testados sistemas com 1MW.
Figura nº 5: Esquema simplificado da Pilha de Combustível de Ácido Fosfórico
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Desvantagens:
Custo de instalação ainda não é competitivo face às energias renováveis, no entanto, esta
tecnologia começa a ser vendida por todo o mundo devido ao sistema de comparticipações de
entidades governamentais.
Fiabilidade, manutenção e pré tratamento do combustível.
Principais Mercados:
Actualmente as PAFC são as únicas PC que se encontram na fase inicial de comercialização,
no segmento de mercado de pequenas potências até 200kW, tendo como combustível o gás
natural devido ao seu baixo custo ou como alternativa o gás propano.
Reacções electroquímicas em jogo:
Ânodo: −+ +→ egHgH 2)(2)(2
Cátodo: )(2)(2)(21
22 lOHeaqHgO →++ −+
A reacção global de uma pilha de combustível ácido fosfórico é do tipo:
Pilha PAFC: 22222 )()(21)( COlOHCOgOgH +→++
O potencial da célula é de 0,67V.
3.3) Pilhas de combustível de carbonatos fundidos (MCFC – Molten Carbonate Fuel cell)
As pilhas de combustível de carbonatos são constituídas por dois eléctrodos (ânodo e cátodo)
separados por um electrólito (Lítio-Potássio ou carbonato lítio-sódio), que neste caso particular é
um fluído alcalino à base de carbonatos. O combustível é fornecido ao ânodo e um oxidante à
base de oxigénio ao cátodo. As moléculas de hidrogénio oxidam-se no ânodo, enquanto que as
de CO e oxigénio reduzem-se no cátodo. 2
Operam a temperaturas elevadas (620-660ºC) e com uma eficiência na ordem dos 60-65%.
Têm grande aplicação ao nível da produção de electricidade, com a vantagem de permitirem o
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aproveitamento do calor para outros fins, como a climatização, o funcionamento de micro
turbinas, etc. Funcionam principalmente a gás natural. Neste tipo de pilhas o ião conduzido
através do electrólito é o CO pelo que é necessário fornecer CO ao cátodo. Este tipo de
pilhas é bastante tolerável em relação ao tipo de combustíveis utilizáveis.
−23 2
Figura nº 6: Esquema de funcionamento de uma pilha MCFC
Desvantagens:
Os principais problemas a resolver nas MCFC estão relacionados com a rápida degradação dos
eléctrodos pelo facto de a pilha funcionar a temperaturas elevadas e num meio muito corrosivo,
assim como às perdas de electrólito por evaporação e pelo próprio processo de corrosão. Estes
obstáculos poderão ser um factor limitativo no que respeita o tempo de vida útil destas PC.
Vantagens:
Uma das vantagens deste tipo de pilha é o facto desta proceder à transformação do gás natural,
bio gás ou gases ricos em hidrocarbonetos em hidrogénio no interior do compartimento do
próprio ânodo.
A sua temperatura de funcionamento possibilita que as reacções necessárias sejam rápidas e
eficientes, tendo como resultados uma conversão directa do gás natural em vapor de água,
dióxido de carbono, calor e energia eléctrica.
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Potenciais mercados:
O funcionamento das MCFC requer altas temperaturas e pressões, o que tem retardado o
avanço desta tecnologia.
As aplicações encontradas para as MCFC vão ao encontro dos sistemas de produção de energia
eléctrica e cogeração. Um exemplo significativo foi a instalação desde 1996 na cidade de Sta
Clara – Califórnia – de uma MCFC num centro de produção de energia eléctrica a funcionar com
uma potência de 1,8 MW.
Reacções electroquímicas em jogo:
Ânodo: −− ++→+ egCOgOHCOgH 2)()()( 22232
Cátodo: −− →++ 2322 2)()(
21 COegCOgO
A reacção global de uma pilha de combustível de carbonatos fundidos ácido fosfórico é do
tipo:
Pilha MCFC: )()()()(21)( 22222 gCOgOHgCOgOgH +→++
O potencial da célula é de 0,9V.
3.4) Pilhas de combustível de óxido sólido (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell)
São as que operam a temperaturas mais elevadas (800-1000ºC), com eficiência na ordem dos
55-65%. São também indicadas para a produção de electricidade e, tal como as anteriores,
funcionam a gás natural. Neste tipo de pilhas o ião conduzido no electrólito é o , pelo que
existe uma grande liberdade em relação ao tipo de combustível a utilizar.
−2O
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 18/57
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DE MEMBRANA
Figura nº 7: Princípio de funcionamento de uma pilha de combustível tipo SOFC
Desvantagem:
O principal inconveniente está ligado à substância que constitui o electrólito ( 322 OYZrO − )
extremamente cara, os custos rondam 1000 €/kW.
Potenciais mercados:
Dadas as elevadas temperaturas de funcionamento, este tipo de PC será principalmente
utilizada em aplicações de produção descentralizada de energia eléctrica. Há quem admita a sua
aplicação na indústria automóvel, porém, há que ter em conta a evolução dos materiais de modo
garantir a segurança das aplicações em automóveis. Actualmente existem diversos protótipos
laboratoriais e pequenas unidades de ensaio das SOFC de 3kW.
Reacções electroquímicas em jogo:
Ânodo: −− +→+ elOHOgH 2)()( 22
2
Cátodo: −− →+ 22 2)(
21 OegO
A reacção global de uma pilha de combustível de óxido sólido é do tipo:
Pilha SOFC: )()(21)( 222 gOHgOgH →+
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 19/57
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3.5) Pilhas de combustível de polímero sólido (SPFC - Proton Exchange Membrane)
Operam também a baixas temperaturas, entre os 50ºC e 80ºC e a sua eficiência anda também
na ordem dos 50-60%. São as pilhas de combustível de eleição para os transportes devido à sua
rápida entrada em funcionamento (conseguem logo produzir elevados montantes de energia
quase instantaneamente).
As SPFC também são designadas por:
SPEFC solid polymer electrolyte fuel cell
PEFC proton exchange fuel cell ou polymer electrolyte fuel cell
PEMFC proton exchange membrane fuel cell
IEMFC ion exchange membrane fuel cell
DMFC direct methanol fuel cell. Neste tipo de pilha o metanol é usado directamente no
interior da pilha como combustível. Ocorrem no interior da pilha várias reacções redox que
promovem a libertação de electrões para o circuito exterior.
Figura nº 8: Exemplo de uma SPFC (neste caso PEMFC) Figura nº 9: reacções oxidação - redução
Vantagens:
Eficiência elevada, invencíveis às variações de pressões, diminuição dos problemas de
corrosão por não funcionar a temperaturas elevadas tempo de vida longo (tolerância ao CO2),
construção simples e possibilidade de construir pilhas leves.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 20/57
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Desvantagens:
Necessitam de catalizador, custos elevados das membranas, pouca escolha de membranas no
mercado e necessidade de escoar o calor produzido.
Potenciais mercados:
Transportes, aparelhos portáteis (computadores, câmaras, telemóveis, lanternas, etc).
Ânodo: −+ +→ eaqHgH 2)(2)(2
Cátodo: )(2)(2)(21
22 lOHeaqHgO →++ −+
A reacção global de uma pilha de combustível ácido fosfórico é do tipo:
Pilha SPFC: )()(21)( 222 lOHgOgH →+
3.6) Resumo das características das diferentes pilhas de combustível
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 21/57
Tabela nº 1: Tabela resumo das características das pilhas de alta e baixa temperatura
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As pilhas de combustível de baixa temperatura de funcionamento: (AFC, PEFC /PEM,
PAFC) requerem um processamento do combustível mais complexo pois só podem funcionar
com hidrogénio molecular puro. Como tal é necessário equipamento auxiliar (reformador) para
converter o combustível primário (gás natural, metanol, gasolina, ...) em hidrogénio.
As pilhas de combustível de alta temperatura de funcionamento permitem converter
directamente a energia química do hidrogénio e do CO em electricidade, pelo que não
necessitam de equipamento auxiliar tão complexo.
Tipo de
Célula Electrólito Combustível Oxidante
Temperat. Funcionam.
[ºC]
Rendimento Eléctrico
[%] Dimensão
Típica Aplicação
AFC Hidróxido
de Potássio
H2 puro Ar + H2O
(s/CO2) 60 – 90 55 – 60 < 7 kW
transporte aeroespacial
/ Industria Automóvel
PEFC / PEM
Membrana de
Polímero H2 puro Ar (s/CO) 70 – 90 35 – 45 5 – 250
kW
transporte aeroespacial
/ Industria Automóvel
PAFC Ácido Fosfórico H2 Ar (s/CO) 200 35 – 45 200 kW
produção de electricidade
(rede), cogeração
MCFC
Lítio, potássio, carbonato
fundido
CH4 , H2 , CO Ar + CO2 600 – 650 45 – 55 2 – 3 MW
produção de electricidade
(rede), cogeração
SOFC Óxidos de
Yttria e Zircónio
CH4 , H2 , CO Ar 800 - 1000 45 - 55
Tubular: 100 –
5000 kW Planar: 50 – 100 kW
produção de electricidade
(rede), cogeração
Tabela nº 2: Tabela resumo das características dos diferentes tipos de pilhas
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 22/57
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4) HIDRETOS METÁLICOS
4.1) Definição
Hidretos Metálicos são compostos formados pela reacção de metais ou ligas metálicas com
hidrogénio, de fórmula geral XRH sendo:
→ R: um elemento (Mg ; O ; Cl ; etc)
ou
um complexo ( ;C ; etc) , onde n é um número inteiro. NiMg 2 n
→ H: átomo de hidrogénio.
→ x: número de átomos de hidrogénio por fórmula (pode ser inteiro ou não)
4.2) Classificação
Os hidretos são conhecidos desde do séc XIX (Gay – Lussac) e podem ser classificados de
diversas formas como por exemplo quanto ao número de elementos.
Quanto ao número de elementos:
Binários: R formado por um elemento
Ternários: R formado por dois elementos
Quaternários: R formado por três elementos
4.3) Utilização no armazenamento do hidrogénio
Os hidretos podem ser utilizados como armazenadores de hidrogénio desde de que, por algum
processo o libertem.
Requisitos mais importantes:
- Na formação dos hidretos, os calores de formação poderão ser positivos (endotérmicos) ou
negativos (exotérmicos). Do ponto de vista do armazenamento do hidrogénio esta propriedade é
muito relevante, exigindo-se que o hidreto apresente um calor de formação exotérmico ( fH∆ <
0) de forma a manter estável o hidrogénio armazenado. Apenas fornecendo calor ao hidreto é
Rui Filipe Rebelo Koch
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que o hidrogénio é libertado. No entanto não se deve pensar que quanto menor o (mais
estável), mais apropriado o hidreto, quanto menor a energia fornecida, melhor. Dessa forma
devemos ter < 0 mas
fH∆
fH∆ fH∆ não >> 0 .
FeTiH2 NiH
5 HLaNi
- Reversibilidade da reacção de formação do hidreto: Deseja-se que todo (na prática, quase
todo) o hidrogénio utilizado na formação do hidreto seja recuperado na sua dissociação. A
reacção deverá poder ser provocada facilmente pela selecção de materiais com fH∆ não >> 0.
- Alta densidade de hidrogénio por unidade de volume: Quanto mais hidrogénio armazenado
por unidade de volume maior será a energia armazenada também por unidade de volume.
- Altas taxas de reacção (cinética) de formação / dissociação: O hidrogénio (combustível)
deverá ser prontamente fornecido quando necessário. Este facto é fundamental quando se trata
de aplicações em veículos automotores, onde o tanque deve ter um abastecimento relativamente
rápido e fornecer grandes surtos de gás nas acelerações do motor.
- Baixos custos e facilidades de produção: Na utilização em larga escala dos hidretos como
armazenadores de hidrogénio, este requisito torna-se desejável e necessário.
- Baixa densidade do hidreto (alta densidade energética por unidade de massa): É
fundamental quando se trata do armazenamento do hidrogénio em veículos automotores, onde o
mínimo peso do tanque é desejável. No entanto tratando-se de tanques estacionários, (junto a
processos industriais) a baixa densidade da liga não é um factor importante, podendo ser
preterido em favor de outras propriedades.
)(KcalH f∆ )/( mlgρ Peso do H -3,36 5,470 1,52 4Mg -30,80 2,6 3,8
6 -14,8 6,225 1,537 Tabela nº 3: Os calores de formação de alguns hidretos metálicos
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 24/57
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5) Desenvolvimento em Portugal das Pilhas de Combustível
5.1) Projecto CUTE (Clean Urban Transport for Europe)
O Projecto CUTE é o maior projecto mundial com pilhas de combustível, tendo por objectivo
demonstrar que é possível o transporte não poluente utilizando um combustível – o hidrogénio –
produzido a partir de diferentes fontes.
Portugal apresenta um papel muito activo neste projecto, uma vez que a cidade do Porto (mais
concretamente a Sociedade de Transportes Colectivos do Porto – STCP) aderiu ao projecto
tendo inaugurado no mês de Fevereiro do corrente ano a operação dos três autocarros a
hidrogénio. Integrado no Projecto CUTE, criado em parceria entre a STCP, a BP e a
DaimlerChrysler, nasceu o H2Bus. Este é o nome dos três veículos movidos a hidrogénio que
circulam nas ruas do Porto, e que libertam apenas vapor de água pelo tubo de escape.
A experiência irá durar dois anos, durante os quais será avaliada a utilização, em diversas
condições climatéricas e topográficas, de autocarros movidos a pilha de combustível abastecida
a hidrogénio, em serviço regular de passageiros, bem como as infra-estruturas de produção e
armazenamento de hidrogénio.
Em serviço na linha 20, os autocarros a hidrogénio estão diariamente em circulação, e para os
experimentar basta utilizar o título de transporte habitual (o bilhete pode ser adquirido a bordo).
A linha 20 é uma linha circular, que passa pelo núcleo central do Porto (Aliados, Boavista,
Marquês) e oferece ao passageiro uma panorâmica da cidade histórica e comercial.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 25/57
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A BP é, no caso do Porto, a empresa fornecedora do hidrogénio e responsável pela instalação
que se situa na estação de recolha de autocarros, em Francos. O hidrogénio é produzido em
Alenquer pela empresa Linde que é responsável pelo transporte e pela monitorização da estação
de abastecimento.
Todo o sistema de armazenamento e toda a funcionalidade da estação de enchimento é
monitorizado e controlado à distância por telemetria. Para garantir a segurança ao longo de toda
a cadeia de produção, transporte e abastecimento do hidrogénio foram respeitadas todas as
normas aplicáveis. Para ser viável a sua aplicação futura a infra-estrutura de abastecimento do
hidrogénio deve permitir o rápido e fácil abastecimento dos veículos. O sistema montado no
Porto permite elevados caudais de enchimento, mesmo em abastecimento consecutivo. Cada
Viatura é abastecida em menos de 12 minutos, sendo a operação em tudo semelhante ao
enchimento com combustível convencional.
O Instituto Superior Técnico é responsável pelos estudos de emissões globais (desde a
produção do hidrogénio até à sua utilização pelo autocarro) para comparação com soluções
convencionais, nomeadamente os autocarros Diesel e a Gás Natural ao serviço da STCP.
Figura nº 10: Bomba de abastecimento de Hidrogénio da BP
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 26/57
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6) PARTE EXPERIMENTAL
6.1) Objectivos
O objectivo principal deste trabalho experimental foi estudar novos agentes redutores
(combustíveis) para substituir o hidrogénio, de forma a evitar os problemas inerentes ao seu
armazenamento. Os agentes redutores usados foram os hidretos metálicos misturados com o
electrólito hidróxido de sódio a diferentes concentrações.
6.2) Método Experimental No ânodo o agente redutor sofre uma oxidação (cede electrões para o circuito exterior) estes
electrões passam para o cátodo favorecendo a reacção de redução do oxigénio. O electrólito faz a
ligação entre os 2 eléctrodos e é constituído por uma solução de NaOH ao qual é misturado o
hidreto metálico.
Reacção no Cátodo:
Os electrões do circuito externo são absorvidos no cátodo, reagindo com o oxigénio do ar e da
água no electrólito, de acordo com a equação (qualquer que seja o combustível):
−− →++ HOeOHO 442 22 (redução)
A formação de iões mantém a concentração alcalina do electrólito. −OH
Reacções no Ânodo:
Reacções electroquímicas no ânodo de uma pilha quando o combustível utilizado é o
tetraboreto de sódio ( ): 4NaBH
−− ++→+ eOHNaBOHONaBH 868 224 (oxidação directa)
23324 44 HBOHNaHOOHNaBH ++→+ (produção de por catálise) 2H
−− +→+ eOHHOH 22 22 (oxidação do ) 2H
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 27/57
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Reacção electroquímicas no ânodo de uma pilha quando o combustível utilizado é o Borano
Dimetilamina ( ) BNHC 102
eOHBONHHCHOBHNHHC 757 222523252 ++→+ − (oxidação directa)
6.3) Material Utilizado Foi usada uma mini célula de combustível (ver figura nº 1) constituída por um ânodo poroso
formado por uma rede de níquel onde se encontra incorporado o carbono e um catalisador, neste
caso a platina. O cátodo para além da rede de níquel e do carbono, contém um depósito de
magnésio e na parte superior do eléctrodo, foi-lhe incorporado uma membrana polimérica do
politetrafluoroetileno (PTFE). Para além deste tipo de pilha de combustível (fig. 1), foram
construídos manualmente outros tipos de células de forma a corrigir alguns problemas
encontrados no decorrer das experiências.
Figura nº11: Representação esquemática da célula de combustível
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 28/57
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Foto nº 1: Ânodo utilizado nas experiências
Foto nº 2: Cátodo utilizado nas experiências Motor M 1 Foi escolhido um motor que funciona usando uma pequena intensidade de corrente o que
possibilita a sua utilização com vários tipos de células de combustível. O motor funciona em
baixas tensões (0,3V) para correntes na ordem dos 20mA.
Foto nº 3: Motor utilizado em algumas das experiências
Preços:
Ânodo: 20 x 27cm → 46€
Cátodo: 20 x 27cm → 70€
4NaBH : 25g → 16,25€
BNHC 102 : 25g → 44€
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 29/57
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6.4) Análise da influência da concentração do electrólito NaOH no comportamento da
pilha
Objectivo: Analisar qual a concentração do electrólito que dá melhores resultados
tendo em conta a performance da pilha. Foram testadas as concentrações de 1, 2 e 3 molar.
NaOH
Para preparar as diferentes concentrações do Hidróxido de Sódio ( ) efectuou-se o
seguinte procedimento:
4NaBH
Sabendo que a massa molecular do Hidróxido de Sódio é:
NaOHM = 23 (Na) + 16(O) + 1(H) = 40 g/mol
Preparou-se 2 litros de NaOH com uma concentração de 3M.
VMm
VnC
⋅==
C: concentração (M)
M : massa molar (g/mol)
n: número de mol
V: volume (l)
m: massa (g)
gmm 240380240
3 =⋅=⇔⋅
=
Para preparar 2 litros de NaOH com uma concentração de 3M pesou-se 240g de NaOH e
adicionou-se água até perfazer os 2 litros de solução.
Em seguida preparou-se 1 litro de NaOH com uma concentração de 1 e 2 molar:
- Para preparar 1 litro de NaOH com uma concentração de 2 molar mediu-se 670ml da solução
com uma concentração de 3 molar e adicionou-se água até perfazer 1 litro de solução.
2211 VCVC ⋅=⋅
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 30/57
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DE MEMBRANA
2312 V⋅=⋅
mllV 67067,032
2 ===
- Para preparar 1 litro de NaOH com uma concentração de 1 molar mediu-se 330ml da solução
com uma concentração de 3 molar e adicionou-se água até perfazer 1 litro de solução.
2211 VCVC ⋅=⋅
1 231 V⋅=⋅
mllV 33033,031
2 ===
Variação da concentração do NaOH:
Para analisar qual a concentração do electrólito NaOH que dá melhores resultados, tendo em
conta a performance da pilha, foram realizadas quatro experiências para cada concentração,
portanto 24 testes no total, onde foram tirados os valores da tensão da pilha em vazio ao longo
do tempo. Os resultados obtidos são apresentados na sua totalidade no anexo 1. De seguida é
apresentado um quadro resumo com a média dos valores obtidos nas 24 experiências.
Tabela nº 4: Resultados médios dos valores de tensão e do tempo, da pilha de combustível em vazio, para as
Concentração do NaOH 1 molar 2 molar 3 molar Tensão média / Tempo médio 0,548 V / 32
horas
0,348 V / 39 horas
0,554 V / 38 horas
0,334 V / 53 horas
0,568 V / 60 horas
0,368 V / 86 horas
diferentes concentrações.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 31/57
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DE MEMBRANA
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 20 40 60 80 100
tempo (horas)
tens
ão (v
olt)
1 molar2 molar3 molar
Gráfico 1: Resultados médios dos valores de tensão, da pilha de combustível em vazio, para as diferentes concentrações.
Nota: Neste primeiro conjunto de experiências foram identificados alguns problemas que por
vezes fizeram viciar os resultados. Para esta análise terem sido utilizadas diferentes pilhas de
combustível, que apesar de serem de modelo idêntico, apresentavam diferenças significativas no
estado de deterioração dos eléctrodos e dos contactos onde eram realizadas as medições. Outro
dos problemas teve haver com a leitura dos resultados, que por vezes ficava a meio, já que as
pilhas duravam muitas horas, sendo impossível obter os valores de tensão ao longo de todo esse
período.
Nas experiências que se seguiram passou-se a utilizar sempre a mesma pilha e um aparelho de
medida ligado ao computador, onde foram gravados todos os valores obtidos.
Estudo da característica da pilha, tensão versus corrente e potência versus corrente:
Neste estudo ligou-se a pilha de combustível em série com um amperímetro e com um reóstato
de 100Ω, aos terminais da pilha ligou-se um voltímetro em paralelo. Fez-se variar a resistência
movendo o reóstato para os seus diferentes valores de resistência, começando nos 100Ω e
acabando nos 5Ω. Para os diferentes valores de resistência tiraram-se os respectivos valores de
corrente e tensão.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 32/57
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Foram efectuados quatro ensaios para cada uma das concentrações (1 e 3 molar). Para o
desenho do gráfico seguinte foram considerados os valores médios obtidos nos quatro ensaios.
No anexo 2 encontram-se todos os gráficos e valores obtidos neste estudo.
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Corrente (mA)
Tens
ão (v
)
1 molar3 molar
Gráfico 2: Gráfico que relaciona a tensão e a corrente na pilha para diferentes valores de concentração de NaOH
0,4
5,4
10,4
15,4
20,4
25,4
30,4
35,4
40,4
45,4
50,4
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Corrente (ma)
Potê
ncia
(mW
)
1 molar3 molar
Gráfico 3: Gráfico que relaciona a Potência e a corrente na pilha para diferentes valores de concentração de NaOH
Os valores de tensão e corrente obtidos na descarga da pilha são apresentados no anexo 2.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 33/57
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Conclusão: Os resultados obtidos mostram que a concentração do electrólito não influência o
comportamento da pilha em termos de tensão máxima fornecida.
O tempo de vida da pilha é tanto maior quanto maior for a concentração do electrólito, para
uma concentração de 3 molar a pilha dura, em vazio, aproximadamente o dobro do tempo do que
para uma concentração de 1 molar.
Os resultados obtidos, relativos à tensão em função da corrente, gráfico 2, mostram que para
uma concentração de 3 molar a pilha, para o mesmo valor de corrente, fornece um valor de
tensão superior à carga, quando comparado com valor de tensão fornecido para uma solução
menos concentrada de NaOH.
Os resultados obtidos, relativos à potência em função da corrente, gráfico 3, mostram que a
concentração do electrólito não influência significativamente o comportamento da pilha em
termos de potência máxima fornecida. Pela análise dos resultados o ponto onde a pilha apresenta
a sua maior potência disponível corresponde a um valor de tensão que ronda os 0,6V, para uma
resistência na ordem dos 5Ω.
6.5) Análise da influência da quantidade de combustível NaBH4 no comportamento da pilha
Objectivo: Analisar qual a influência da variação da quantidade de combustível no
comportamento da pilha. Foram testadas as quantidades de 10mg, 30mg e 50mg.
4NaBH
Para a realizar este ensaio ligou-se a pilha a uma resistência de 15Ω e foi feita a sua descarga
com três valores diferentes de combustível 20mg, 50mg e 80mg, nos três casos usou-se um
volume de electrólito (NaOH) de 20ml. Como se pode reparar no gráfico 4 a pilha foi mantida
em vazio durante aproximadamente 10 minutos e só depois foi ligada a resistência.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 34/57
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DE MEMBRANA
00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
1
0 2 4 6 8 10
Tempo (horas)
Tens
ão (v
olt)
20mg50mg80mg
Gráfico 4: Gráfico da tensão em função do tempo para diferentes quantidades de NaBH4
Conclusão: Os resultados obtidos mostram que a quantidade do combustível não influência o
comportamento da pilha em termos de tensão máxima fornecida.
A quantidade de combustível utilizada na solução tem uma grande influência, como era de
esperar, no tempo de vida da pilha.
6.6) Análise da influência da concentração do combustível NaBH4 na solução
Objectivo: Analisar qual a influência da concentração do combustível NaBH4 no que se refere
ao comportamento da pilha.
Para realizar este estudo utilizou-se, como carga, o motor M 1 e foram utilizadas as seguintes
quantidades de combustível e de electrólito:
30mg (NaBH4) & 30ml (NaOH) → 1mg (NaBH4) / ml (NaOH)
30mg (NaBH4) & 15m (NaOH) → 2mg (NaBH4) / ml (NaOH)
60mg (NaBH4) & 30m l(NaOH) → 2mg (NaBH4) / ml (NaOH)
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 35/57
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DE MEMBRANA
00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
1
0 1 2 3 4 5 6 7
tempo (horas)
tens
ão (V
)
30mg(NaBH4) & 30ml(NaOH)30mg(NaBH4) & 15ml(NaOH)60mg(NaBH4) & 30ml(NaOH)
Gráfico 5: Gráfico da tensão em função do tempo para diferentes concentrações de combustível
Estudo da característica da pilha, tensão versus corrente e potência versus corrente:
Nestes estudos ligou-se a pilha de combustível em série com um amperímetro e com um
reóstato de 100Ω, aos terminais da pilha ligou-se um voltímetro em paralelo. Fez-se variar a
resistência movendo o reóstato para os seus diferentes valores de resistência, começando nos
100Ω e acabando nos 0,3Ω. Para os diferentes valores de resistência tiraram-se os respectivos
valores de corrente e tensão.
NOTA: Em todos os estudos da característica das pilhas, tensão versus corrente e potência versus corrente que se
seguiram neste trabalho foi utilizado o procedimento anteriormente descrito.
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
0,75
0,8
0,85
0,9
0,95
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Corrente (mA)
Tens
ão (V
)
30mg(NaBH4) & 15ml(NaOH)30mg(NaBH4) & 30ml(NaOH)60mg(NaBH4) & 30ml(NaOH)
Gráfico 6: Gráfico da tensão em função da corrente para diferentes concentrações de combustível
Rui Filipe Rebelo Koch
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DE MEMBRANA
0,5
20,5
40,5
60,5
80,5
100,5
120,5
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Corrente (mA)
Potê
ncia
(mW
)
30mg(NaBH4) & 15ml(NaOH)30mg(NaBH4) & 30ml(NaOH)60mg(NaBH4) & 30ml(NaOH)
Gráfico 7: Gráfico da potência em função da corrente para diferentes concentrações de combustível
Do gráfico 7 pode-se concluir que a potência da pilha é superior para uma concentração de
2mg (NaBH4) / ml (NaOH) do que numa solução menos concentrada de NaBH4. Quando a
concentração de combustível é igual como se pode ver no caso de 30 mg(NaBH4) &
15ml(NaOH) e no caso de 60mg(NaBH4) & 30ml(NaOH), a pilha apresenta uma maior
potência, principalmente para correntes elevadas, no caso em que a quantidade de combustível é
superior. Os valores utilizados nos gráficos 6 e 7 são apresentados no anexo 3.
Para a confirmação destes resultados foram feitas novas experiências usando diferentes
quantidades de combustível (NaBH4) e do electrólito (NaOH). Foi também utilizada um novo
modelo de pilha, de forma a manter sempre constante, para as diferentes experiências, a
distância e posição do ânodo e do cátodo. Assim é possivel ter a certeza que de caso para caso os
valores obtidos não sofrem qualquer influência, que não seja a causada pela variação da
concentração de combustível na solução.
Para a obtenção do gráfico seguinte utilizou-se a mesma quantidade de combustível (NaBH4),
variando apenas a quantidade de electrólito (NaOH) de 10ml para 20ml.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 37/57
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DE MEMBRANA
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 20 40 60 80 100 120
Corrente (mA)
Tens
ão (V
)
10mg(NaBH4) & 10ml(NaOH)10mg(NaBH4) & 20ml(NaOH)
Gráfico 8: Gráfico da tensão em função da corrente para diferentes concentrações de combustível
0,4
10,4
20,4
30,4
40,4
50,4
60,4
70,4
0 20 40 60 80 100 120
Corrente (mA)
Potê
ncia
(mW
)
10mg(NaBH4) & 10ml(NaOH)10mg(NaBH4) & 20ml(NaOH)
Gráfico 9: Gráfico da potência em função da corrente para diferentes concentrações de combustível
Pode-se ver que quanto maior for a concentração de combustível na solução melhor é o
comportamento da pilha. Esta diferença de comportamento da pilha acentua-se com o aumento
da corrente, para correntes baixas a concentração do NaBH4 não influência a potência da pilha,
ao contrário do que acontece para correntes mais elevadas.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 38/57
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DE MEMBRANA
De seguida para a mesma concentração do combustível, analisou-se qual a influência da
quantidade deste no comportamento da pilha. Para isso utilizamos diferentes quantidades do
electrólito (gráficos 10 e 11).
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 20 40 60 80 100 120
Corrente (mA)
Tens
ão (V
)
10mg(NaBH4) & 20ml(NaOH)5mg(NaBH4) & 10ml(NaOH)
Gráfico 10: Gráfico da tensão em função da corrente para diferentes concentrações de combustível
0,4
10,4
20,4
30,4
40,4
50,4
60,4
0 20 40 60 80 100 120
Corrente (mA)
Potê
ncia
(mW
)
10mg(NaBH4) & 20ml(NaOH)5mg(NaBH4) & 10ml(NaOH)
Gráfico 11: Gráfico da potência em função da corrente para diferentes concentrações de combustível
Para a mesma concentração a pilha apresenta um comportamento mais eficiente, em correntes
elevadas, quando é utilizada uma quantidade maior de NaBH4.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 39/57
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DE MEMBRANA
Os valores utilizados nos gráficos 8, 9, 10, e 11 são apresentados no anexo 4.
Conclusões:
- Quanto maior for a concentração de NaBH4 na solução, melhor é a performance da pilha.
- Para valores idênticos de concentração de NaBH4 na solução a performance da pilha é tanto
melhor quanto maior for a quantidade de NaBH4.
- Pode ser possível em alguns casos uma solução de compromisso entre a quantidade de
combustível e quantidade de electrólito, já que, usando menos electrólito pode-se poupar em
combustível, não comprometendo consideravelmente a potência máxima fornecida pela pilha de
combustível.
6.7) Análise da influência da distância entre os dois eléctrodos no comportamento da
pilha.
Objectivo: Análise da influência da distância entre os dois eléctrodos, ânodo e cátodo no
comportamento da pilha de combustível.
Para realizar as seguintes experiências foram afastados os dois eléctrodos de 1 centímetro e
realizada a descarga da pilha com o reóstato, repetiu-se o mesmo procedimento mas afastando de
2 centímetros os dois eléctrodos e comparou-se os resultados obtidos nos gráficos 12 e 13.
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
0 20 40 60 80 100
Corrente (mA)
Tens
ão (v
olt)
1 cm2 cm
Gráfico 12: Gráfico da tensão em função da corrente para diferentes distâncias entre os eléctrodos
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 40/57
INFLUÊNCIA DOS AGENTES REDUTORES NA PERFORMANCE DAS PILHAS DE COMBUSTÍVEL
DE MEMBRANA
05
101520253035404550
0 20 40 60 80 100
Corrente (mA)
Potê
ncia
(mW
)
1 cm2 cm
Gráfico 13: Gráfico da potência em função da corrente para diferentes distâncias entre os eléctrodos
Conclusão: O aumento da distância entre os dois eléctrodos afecta negativamente o
comportamento da pilha. Este facto pode ocorrer devido a um aumento da resistência interna da
pilha, e também ao aumento da distância que os iões +H vindos do ânodo têm de percorrer para
chegarem ao cátodo. Efectivamente, não se pode esquecer que o transporte de +H na célula
electroquímica é essencialmente devido à migração e difusão.
Todos os resultados obtidos nesta experiência são apresentados no anexo 5.
6.8) Projecto de uma nova pilha de combustível mais pequena (kit 1)
Objectivo: Projecto de uma nova pilha de combustível (kit 1) mais pequena de forma a estudar
a sua eficácia em relação às pilhas de combustível anteriormente utilizadas.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 41/57
INFLUÊNCIA DOS AGENTES REDUTORES NA PERFORMANCE DAS PILHAS DE COMBUSTÍVEL
DE MEMBRANA
Foto nº 4: À esquerda a pilha de combustível standard e à direita a nova pilha kit1.
Foto nº 5: À esquerda o cátodo da pilha standard e à direita o cátodo da nova pilha kit1.
Foto nº 6: À esquerda o cátodo da pilha standard e à direita o cátodo da nova pilha kit1.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 42/57
INFLUÊNCIA DOS AGENTES REDUTORES NA PERFORMANCE DAS PILHAS DE COMBUSTÍVEL
DE MEMBRANA
Foto nº 7: À esquerda o ânodo da pilha standard e à direita o ânodo da nova pilha kit1.
O facto de se pretender uma pilha mais pequena obrigou a utilização de ânodos e cátodos com
diferentes superfícies das utilizadas na pilha standard, como é referido na seguinte tabela.
Pilha: Quantidade de NaOH Quantidade de NaBH4 Área do Cátodo Área do Ânodo Standard 50 ml 30 mg 13 cm² 25 cm²
Kit1 15 ml 30 mg 36 cm² (+64%) 16 cm² (-36%)
Tabela nº 5: Descrição das condições a que foram testadas as duas pilhas
A pilha Kit 1 apesar de ser mais pequena apresenta uma particularidade em relação ao cátodo,
este foi projectado de forma a aproveitar toda a superfície em contacto com a solução. Para isso,
em vez de se colocar a membrana apenas na parte inferior da pilha, colocou-se também nas
partes laterais, que se encontram mergulhadas na solução. Desta forma conseguiu-se aumentar a
superfície do cátodo apesar do tamanho da pilha ter diminuído.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 43/57
INFLUÊNCIA DOS AGENTES REDUTORES NA PERFORMANCE DAS PILHAS DE COMBUSTÍVEL
DE MEMBRANA
00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
1
0 1 2 3 4 5 6
Tempo (horas)
Tens
ão (
V)
pilha standardpilha Kit 1
Gráfico 14: Comparação do comportamento ao longo do tempo da nova pilha kit1 face à pilha standard,
alimentando as duas o motor M1.
Estudo da característica das pilhas, tensão versus corrente e potência versus corrente:
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
0 20 40 60 80 100
Corrente (mA)
Tens
ão (V
)
Pilha Kit 1Pilha Standard
Gráfico 15: Comparação do comportamento corrente tensão da nova pilha kit1 face à pilha standard.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 44/57
INFLUÊNCIA DOS AGENTES REDUTORES NA PERFORMANCE DAS PILHAS DE COMBUSTÍVEL
DE MEMBRANA
0,6
10,6
20,6
30,6
40,6
50,6
60,6
70,6
0 20 40 60 80 100
Corrente (mA)
Pot
ênci
a (m
W)
Pilha Kit 1Pilha Standard
Gráfico 16: Comparação do comportamento potência versus corrente da nova pilha kit1 face à pilha standard.
Conclusão:
A pilha Kit 1 apresentou uma performance superior tendo em conta a pilha standard
anteriormente utilizada. Esta situação ocorreu devido a dois importantes aspectos:
- A concentração de combustível, utilizada nas duas pilhas, não foi idêntica por
impossibilidades técnicas que estão relacionadas com a estrutura física das mesmas. A pilha kit 1
têm uma capacidade de armazenamento de solução na ordem dos 15ml, enquanto que a pilha
standard necessita no mínimo de aproximadamente 50ml de solução para funcionar
correctamente. Optou-se por usar a mesma quantidade de combustível nas duas pilhas e fazer a
experiência com diferentes concentrações de NaBH4. Uma outra solução seria utilizar a mesma
concentração e quantidades de combustível diferentes. Por exemplo na pilha standard utilizar
50ml de NaOH e 50mg de NaBH4 e na pilha Kit 1 utilizar 15ml de NaOH e 15mg de NaBH4.
No entanto, depois de analisar o comportamento das pilhas para diferentes concentrações e
quantidades de combustível, cujos resultados são apresentados no ponto 6.6), optou-se por fazer
a experiência utilizando a mesma quantidade de combustível a diferentes concentrações. Pois
utilizar quantidades de combustível tão distintas (15mg e 50mg) iria influenciar ainda mais os
resultados obtidos. De referir então que o comportamento mais eficaz da pilha Kit1 tem como
explicação mais provável o facto de nesta pilha ter sido utilizada uma concentração de
combustível 80% superior à utilizada na pilha standard.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 45/57
INFLUÊNCIA DOS AGENTES REDUTORES NA PERFORMANCE DAS PILHAS DE COMBUSTÍVEL
DE MEMBRANA
- Na pilha Kit 1 foi utilizado um ânodo com uma área inferior (-36%) e um cátodo com uma
área superior (+64%) às utilizas na pilha standard. Este aspecto pode também ter influenciado a
diferença observada na performance das duas pilhas.
6.9) Projecto de uma nova pilha de combustível com quatro células (kit2)
Objectivo: Ao projectar uma pilha deste tipo pretendeu-se obter uma tensão de
aproximadamente de 4 x 0,9 volts, e assim, com uma pilha de tamanho reduzido, obter uma
tensão da mesma ordem de grandeza da conseguida com duas pilhas tradicionais do tipo AA.
Figura nº12: Esquema da pilha de combustível kit2
Figura 8: Pilha de combustível Kit2
Rui Filipe Rebelo Koch
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DE MEMBRANA
Figura 9: Comparação de tamanho entre a pilha Kit2 do lado direito e a pilha standard do lado esquerdo.
Figura 10: Comparação de tamanho entre a pilha Kit2 e duas pilhas AA de 1,5 volts.
Na experiência seguinte foi utilizada:
- uma pilha (kit1) com 30mg de NaBH4 e 30ml de NaOH
- uma célula da pilha kit2 com 30mg de NaBH4 e 8ml de NaOH
- quatro células da pilha kit2 ligadas em série, com 30mg de NaBH4 e 30ml de NaOH
divididos igualmente pelas quatro células.
- quatro células da pilha kit2 ligadas em paralelo, com 30mg de NaBH4 e 30ml de
NaOH divididos igualmente pelas quatro células
O motor M1 foi alimentado com cada uma das pilhas mencionadas atrás e foi estudado o
comportamento das mesmas em função do tempo.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 47/57
INFLUÊNCIA DOS AGENTES REDUTORES NA PERFORMANCE DAS PILHAS DE COMBUSTÍVEL
DE MEMBRANA
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
tempo (horas)
tens
ão (V
)
pilha kit1 (30ml & 30mg) 4 células do kit2 em série (30ml & 30 mg)1 célula do kit2 (8ml & 30mg) 4 célulasdo kit2 em paralelo (30ml & 30 mg)
Gráfico 17: Comparação do comportamento da tensão em função do tempo
Pela análise do gráfico anterior pode-se ver que quando se utilizam as quatro células em série
do kit2 a tensão inicial é de aproximadamente 3 volt. O motor que a pilha estava a alimentar
começou por rodar mais rápido mas passados aproximadamente 15 minutos a pilha deixou de ter
combustível suficiente para alimentar a carga. Neste caso os 30mg de NaBH4 gastaram-se mais
rapidamente do que no caso em que foi utilizada uma só célula e no caso em q foram utilizadas 4
células em paralelo. O motor M1 nestas duas últimas situações rodou mais devagar do que tinha
feito para o caso das 4 células em série, e obviamente, gastou mais lentamente o combustível das
células.
No que respeita à comparação do tempo de vida entre a pilha kit 1 e a pilha kit 2, pode-se
concluir que o facto de este ser superior na pilha Kit 2 advém do facto de no conjunto das 4
células a área dos eléctrodos ser superior do que na pilha Kit1. Isto porque no que respeita à
quantidade de combustível e de electrólito as condições de ensaio foram iguais nas duas pilhas.
Quanto ao facto do tempo de vida da pilha Kit 1 ser superior ao de uma célula da pilha Kit 2,
isto pode-se justificar pela menor área dos eléctrodos utilizados numa das células da pilha Kit 2.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 48/57
INFLUÊNCIA DOS AGENTES REDUTORES NA PERFORMANCE DAS PILHAS DE COMBUSTÍVEL
DE MEMBRANA
Estudo da característica das pilhas, tensão versus corrente e potência versus corrente:
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
0 20 40 60 80 100 120 140
Corrente (mA)
Tens
ão (V
)
1 célula do kit2 (30mg de NaBH4 & 8ml de NaOH)4 células do kit2 em paralelo (30mg de NaBH4 & 30ml de NaOH)4 células do kit2 em série (30mg de NaBH4 & 30ml de NaOH)
Gráfico 18: Comparação da característica tensão corrente
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
140,0
160,0
0 20 40 60 80 100 120 140
Corrente (mA)
Potê
ncia
(mW
)
1 célula do kit2 (30mg de NaBH4 & 8ml de NaOH)4 células do kit2 em paralelo (30mg de NaBH4 & 30ml de NaOH)4 células do kit2 em série (30mg de NaBH4 & 30ml de NaOH)
Gráfico 19: Comparação da característica potência corrente
Como era de esperar, a potência máxima da pilha quando que se utilizam as quatro células em
série é muito superior à potência da pilha quando se utilizam as 4 células em paralelo ou apenas
uma das quatro células da pilha Kit 2.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 49/57
INFLUÊNCIA DOS AGENTES REDUTORES NA PERFORMANCE DAS PILHAS DE COMBUSTÍVEL
DE MEMBRANA
Estudo do comportamento da pilha numa primeira e numa segunda descarga:
Na experiência seguinte utilizou-se a pilha de combustível kit2, com 30mg de NaBH4 e 30ml
de NaOH distribuídos igualmente pelas 4 células ligadas em série, para alimentar o motor.
Chamou-se de primeira descarga à primeira vez que se alimentou o motor, e de segunda
descarga a segunda vez que se alimentou o motor com a mesma pilha de combustível.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 2 4 6 8 10 12
Tempo(minutos)
Tens
ão(v
olt)
1ª descarga2ª descarga
Gráfico 20: Comparação do tempo de vida da pilha numa 1ª e numa 2ª descarga
O sistema pilha motor foi deixado a funcionar até a tensão descer para 0,15volt. De salientar
que o motor deixou de funcionar, por falta de tensão, por volta dos 0,25volts. De seguida a pilha
foi desligada do motor ficando em vazio durante 15 minutos, a tensão começou a subir e
estabilizou aproximadamente nos 3 volts. Da primeira vez a pilha tinha atingido, em vazio, uma
tensão máxima de 3,5volts, e quando foi ligado o motor este funcionou durante 9 minutos. Da
segunda vez que se ligou o sistema pilha motor este manteve-se a funcionar durante 4 minutos.
Os valores obtidos nestes dois últimos estudos encontram-se no anexo 7.
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 50/57
INFLUÊNCIA DOS AGENTES REDUTORES NA PERFORMANCE DAS PILHAS DE COMBUSTÍVEL
DE MEMBRANA
Figura 11: Pilha Kit2 a alimentar um rádio
Como um exemplo de uma aplicação prática, alimentou-se um pequeno rádio com a pilha kit2,
utilizou-se 30ml de NaOH e 120mg de combustível ( ), o rádio funcionou durante
aproximadamente 3 horas.
4NaBH
6.10) Comparação dos hidretos NaBH4 e C2H10BN
O objectivo deste conjunto de experiências é analisar o comportamento da pilha, utilizando
como combustível o Borano Dimetilamina (C ), e estabelecer uma comparação com os
resultados obtidos anteriormente com o .
BNH102
4NaBH
Estes dois compostos têm diferentes concentrações, por isso, para se comparar o
comportamento dos hidretos não basta utilizar a mesma massa deve-se utilizar, em cada
experiência, a mesma concentração de composto na solução da pilha de combustível.
Para comparar o comportamento da pilha com estes dois combustíveis é necessário calcular a
concentração dos dois compostos pois estes têm massas moleculares (M) diferentes.
A concentração de um composto é dada pela seguinte fórmula:
VnC =
O número de moles é dado por:
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 51/57
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DE MEMBRANA
Mmn =
C H B N Na Massa Molecular (g/mol)
BNHC 102 12x2=24 10x1=10 10,8 14 - 58,92
4NaBH - 4x1=4 10,8 - 23 37,81
Tabela nº 6: cálculo da massa molecular dos hidretos
Utilizando 20ml de electrólito (NaOH) e 30mg de obtém-se uma concentração de: 4NaBH
lmolVM
mC /04,0102081,37
10303
3
=×⋅
×=
×= −
−
Para se utilizar na experiência a mesma concentração de devemos pesar uma massa
de: BNHC 102
mgm
lmolmVM
mC
7,46102092,5804,0
/04,0102092,58
3
3
=×⋅⋅=
=×⋅
=×
=
−
−
Massa Molecular
(g/mol)
Concentração
(mol/l)
Volume de
solução (ml)
Massa do hidreto
(mg)
BNHC 102 58,92 0,04 20 46,7
4NaBH 37,81 0,04 20 30
Tabela nº7: Características dos hidretos utilizados na experiência
Para realizar a seguinte experiência utilizou-se, como carga, o motor M 1 e foram utilizadas as
seguintes quantidades de combustível e de electrólito:
→ 20ml de NaOH e 30mg de 4NaBH
→ 20ml de NaOH e 46,7mg de C BNH102
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 52/57
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DE MEMBRANA
00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
1
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
Tempo (horas)
Tens
ão (V
)
C2H10BNNaBH4
Gráfico 21: Comparação do comportamento tensão em função do tempo dos dois hidretos
Da análise do gráfico anterior pode-se ver que a pilha que utilizou como combustível o borano
dimetilamina ( ) alimentou o motor M1 durante aproximadamente 1h15m. A pilha que
utilizou como combustível o tetraboreto de sódio ( ) alimentou o motor durante 3h30m.
BNHC 102
4NaBH
Estudo da característica da pilha, tensão versus corrente e potência versus corrente:
0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0
0 20 40 60 80 100
Corrente (mA)
Tens
ão (V
)
C2H10BNNaBH4
Gráfico 22: Comparação da característica tensão versus corrente dos dois hidretos
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 53/57
INFLUÊNCIA DOS AGENTES REDUTORES NA PERFORMANCE DAS PILHAS DE COMBUSTÍVEL
DE MEMBRANA
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
0 20 40 60 80 100
Corrente (mA)
Potê
ncia
(mW
)
C2H10BNNaBH4
Gráfico 23: Comparação da característica potência versus corrente dos dois hidretos
Apesar de neste último estudo (gráfico 18 e 19) não ser tão notória a diferença de performance
entre as pilhas que utilizam os diferentes combustíveis, é possível concluir que a pilha que utiliza
o tem uma potência máxima na ordem dos 50 mW enquanto que a pilha que utiliza
como combustível o C apresenta uma potencia máxima de 42,2 mW.
4NaBH
BNH102
Conclusão:
Depois de analisar os gráficos n º 17, 18 e 19 pode-se concluir que a pilha de combustível que
utiliza o C apresenta um tempo de vida e uma potência inferior, comparado com a
potência e o tempo de vida quando se utiliza como combustível.
BNH102
4NaBH
A justificação para estes resultados advém do facto de uma molécula de produzir
menos electrões do que uma molécula de . Enquanto que uma só molécula de tetraboreto
de sódio ( ) é capaz de produzir 8 electrões uma molécula de borano dimetilamina
( ) produz “apenas” 7 electrões.
BNHC 102
4NaBH
4NaBH
BNHC 102
Para além da pilha de combustível apresentar uma performance inferior quando utiliza o
este é também menos económico monetariamente, quando comparado com o
.
BNHC 102
4NaBH
Os valores obtidos no estudo da característica da pilha são apresentados no anexo 8
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Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 54/57
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7) Bibliografia
1 – “Apontamentos sobre Pilhas de Combustível” Laura Martins, , FEUP-DEEC
2 – “Fuel Cell Handbook”, 5ª Edição, EG & Services Parsons, Inc, Science Applications
International Corporation, Morgantown, Outubro, 2000.
3 – Sharon Thomas and Marcia Zalbowitz, “Fuel Cells Green Power”, Los Alamos National
Laboratory
4 – E. Agel, J. Bouet, J.F. Fauvarque, “Characterization and use of anionic membranes for
alkaline fuel cells”, Journal of Power Sources, Março de 2001
5 – G. F. McLean, T. Niet, S. Prince-Richard, N. Djilali, “An assessment of alkaline fuel cell
technology”, International journal of HIDROGEN ENERGY”, nº27, 2002
6 – James Larminie, Andrew Dicks, “Fuel Cell Systems Explained”, JOHN WILEY & SONS,
LTD
LINKS:
http://www.ectechnic.co.uk/ (Electro-Chem-Technic)
http://www.fuelcells.org/ (Fuel Cells 2000)
http://www.dodfuelcell.com/ (Dod Fuel Cell Demonstration Program)
Rui Filipe Rebelo Koch
Projecto, Seminário ou Trabalho Final de Curso 55/57
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8) Agradecimentos
Gostava de agradecer:
A ajuda que me foi prestada pelos meus colegas de trabalho, assim como o bom
relacionamento e bom ambiente de trabalho criado entre nós.
A colaboração da Engª. Cristina Nunes, e o seu apoio na elaboração de todo o trabalho.
A ajuda, disponibilidade e interesse do Prof. José Inácio Ferrão de Paiva Martins.
Ao Prof. Vladimiro Henrique Barrosa Pinto de Miranda por ter aceite ser meu orientador no
INESC.
À Prof. Laura Martins pela possibilidade que me proporcionou em poder trabalhar num tema
tão actual e importante como são as Pilhas de Combustível, pela sua importante ajuda na fase
inicial do trabalho e pela sua infinita simpatia.
Rui Filipe Rebelo Koch
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9) Anexos
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