Célula de combustível - Fuel cell

Modelo de demonstração de uma célula a combustível de metanol direto (cubo em camadas pretas) em seu invólucro.

Esquema de uma célula de combustível condutora de prótons

Uma célula de combustível é uma célula eletroquímica que converte a energia química de um combustível (geralmente hidrogênio ) e um agente oxidante (geralmente oxigênio) em eletricidade por meio de um par de reações redox . As células de combustível são diferentes da maioria das baterias por exigirem uma fonte contínua de combustível e oxigênio (geralmente do ar) para sustentar a reação química, enquanto em uma bateria a energia química geralmente vem de metais e seus íons ou óxidos que comumente já estão presentes no bateria, exceto em baterias de fluxo . As células de combustível podem produzir eletricidade continuamente enquanto o combustível e o oxigênio forem fornecidos.

As primeiras células de combustível foram inventadas por Sir William Grove em 1838. O primeiro uso comercial de células de combustível veio mais de um século depois, após a invenção da célula de combustível de hidrogênio-oxigênio por Francis Thomas Bacon em 1932. A célula de combustível alcalina , também conhecida como a célula de combustível de Bacon após seu inventor, tem sido usada em programas espaciais da NASA desde meados da década de 1960 para gerar energia para satélites e cápsulas espaciais . Desde então, as células de combustível têm sido usadas em muitas outras aplicações. As células de combustível são usadas para energia primária e reserva para edifícios comerciais, industriais e residenciais e em áreas remotas ou inacessíveis. Eles também são usados ​​para mover veículos com células de combustível , incluindo empilhadeiras, automóveis, ônibus, barcos, motocicletas e submarinos.

Existem muitos tipos de células a combustível, mas todas consistem em um ânodo , um cátodo e um eletrólito que permite que os íons, geralmente íons de hidrogênio com carga positiva (prótons), se movam entre os dois lados da célula a combustível. No ânodo, um catalisador faz com que o combustível passe por reações de oxidação que geram íons (geralmente íons de hidrogênio carregados positivamente) e elétrons. Os íons se movem do ânodo para o cátodo através do eletrólito. Ao mesmo tempo, os elétrons fluem do ânodo para o cátodo por meio de um circuito externo, produzindo eletricidade de corrente contínua . No cátodo, outro catalisador faz com que íons, elétrons e oxigênio reajam, formando água e possivelmente outros produtos. As células a combustível são classificadas pelo tipo de eletrólito que usam e pela diferença no tempo de inicialização que varia de 1 segundo para células a combustível de membrana de troca de prótons (células a combustível PEM ou PEMFC) a 10 minutos para células a combustível de óxido sólido (SOFC). Uma tecnologia relacionada são as baterias de fluxo , nas quais o combustível pode ser regenerado por recarga. Células de combustível individuais produzem potenciais elétricos relativamente pequenos, cerca de 0,7 volts, então as células são "empilhadas", ou colocadas em série, para criar voltagem suficiente para atender aos requisitos de uma aplicação. Além da eletricidade, as células a combustível produzem água, calor e, dependendo da fonte de combustível, quantidades muito pequenas de dióxido de nitrogênio e outras emissões. A eficiência energética de uma célula de combustível é geralmente entre 40 e 60%; entretanto, se o calor residual for capturado em um esquema de cogeração , eficiências de até 85% podem ser obtidas.

História

Esboço da célula de combustível de Sir William Grove de 1839

As primeiras referências a células de combustível de hidrogênio apareceram em 1838. Em uma carta datada de outubro de 1838, mas publicada na edição de dezembro de 1838 da London and Edinburgh Philosophical Magazine e do Journal of Science , o físico e advogado galês Sir William Grove escreveu sobre o desenvolvimento de sua primeira células de combustível brutas. Ele usou uma combinação de chapas de ferro, cobre e porcelana e uma solução de sulfato de cobre e ácido diluído. Em uma carta à mesma publicação escrita em dezembro de 1838, mas publicada em junho de 1839, o físico alemão Christian Friedrich Schönbein discutiu a primeira célula de combustível bruta que ele havia inventado. Sua carta discutia a corrente gerada a partir do hidrogênio e do oxigênio dissolvidos na água. Grove mais tarde esboçou seu projeto, em 1842, no mesmo jornal. A célula a combustível que ele fabricou usava materiais semelhantes aos atuais células a combustível de ácido fosfórico .

Em 1932, o engenheiro inglês Francis Thomas Bacon desenvolveu com sucesso uma célula de combustível estacionária de 5 kW. A célula de combustível alcalina (AFC), também conhecida como célula de combustível Bacon em homenagem a seu inventor, é uma das tecnologias de célula de combustível mais desenvolvidas, que a NASA usa desde meados da década de 1960.

Em 1955, W. Thomas Grubb, um químico que trabalhava para a General Electric Company (GE), modificou ainda mais o projeto original da célula de combustível usando uma membrana de troca iônica de poliestireno sulfonado como eletrólito. Três anos depois, outro químico da GE, Leonard Niedrach, inventou uma maneira de depositar platina na membrana, que servia como catalisador para as reações necessárias de oxidação do hidrogênio e redução do oxigênio. Isso ficou conhecido como a "célula de combustível Grubb-Niedrach". A GE desenvolveu essa tecnologia com a NASA e a McDonnell Aircraft, levando ao seu uso durante o Projeto Gemini . Este foi o primeiro uso comercial de uma célula de combustível. Em 1959, uma equipe liderada por Harry Ihrig construiu um trator com célula de combustível de 15 kW para a Allis-Chalmers , que foi demonstrado nos Estados Unidos em feiras estaduais. Este sistema usava hidróxido de potássio como eletrólito e hidrogênio comprimido e oxigênio como reagentes. Mais tarde, em 1959, Bacon e seus colegas demonstraram uma unidade prática de cinco quilowatts, capaz de alimentar uma máquina de solda. Na década de 1960, a Pratt & Whitney licenciou as patentes americanas de Bacon para uso no programa espacial dos Estados Unidos para fornecer eletricidade e água potável (hidrogênio e oxigênio prontamente disponíveis nos tanques da espaçonave). Em 1991, o primeiro automóvel com célula de combustível de hidrogênio foi desenvolvido por Roger Billings .

A UTC Power foi a primeira empresa a fabricar e comercializar um grande sistema de célula de combustível estacionário para uso como usina de cogeração em hospitais, universidades e grandes edifícios de escritórios.

Em reconhecimento à indústria de células de combustível e ao papel da América no desenvolvimento de células de combustível, o Senado dos EUA reconheceu 8 de outubro de 2015 como o Dia Nacional do Hidrogênio e da Célula de Combustível , aprovando o S. RES 217. A data foi escolhida em reconhecimento ao peso atômico do hidrogênio (1,008 )

Tipos de células a combustível; Projeto

As células de combustível existem em muitas variedades; no entanto, todos eles funcionam da mesma maneira geral. Eles são compostos de três segmentos adjacentes: o ânodo , o eletrólito e o cátodo . Duas reações químicas ocorrem nas interfaces dos três segmentos diferentes. O resultado líquido das duas reações é que o combustível é consumido, água ou dióxido de carbono é criado e uma corrente elétrica é criada, que pode ser usada para alimentar dispositivos elétricos, normalmente referido como a carga.

No ânodo, um catalisador oxida o combustível, geralmente hidrogênio, transformando o combustível em um íon com carga positiva e um elétron com carga negativa. O eletrólito é uma substância projetada especificamente para que os íons possam passar por ele, mas os elétrons não. Os elétrons liberados viajam através de um fio criando a corrente elétrica. Os íons viajam através do eletrólito para o cátodo. Ao atingir o cátodo, os íons são reunidos com os elétrons e os dois reagem com um terceiro produto químico, geralmente oxigênio, para criar água ou dióxido de carbono.

Um diagrama de blocos de uma célula de combustível

Os recursos de design em uma célula de combustível incluem:

• A substância eletrolítica, que geralmente define o tipo de célula a combustível, pode ser feita de várias substâncias, como hidróxido de potássio, carbonatos de sal e ácido fosfórico.
• O combustível usado. O combustível mais comum é o hidrogênio.
• O catalisador anódico, geralmente pó fino de platina, decompõe o combustível em elétrons e íons.
• O catalisador catódico, geralmente níquel, converte íons em resíduos químicos, sendo a água o tipo de resíduo mais comum.
• Camadas de difusão de gás projetadas para resistir à oxidação.

Uma célula de combustível típica produz uma tensão de 0,6 a 0,7 V em plena carga nominal. A tensão diminui à medida que a corrente aumenta, devido a vários fatores:

• Perda de ativação
• Perda ôhmica ( queda de tensão devido à resistência dos componentes da célula e interconexões)
• Perda de transporte de massa (esgotamento de reagentes em locais de catalisador sob altas cargas, causando perda rápida de voltagem).

Para fornecer a quantidade desejada de energia, as células de combustível podem ser combinadas em série para produzir voltagem mais alta e, em paralelo, para permitir que uma corrente mais alta seja fornecida. Esse projeto é chamado de pilha de células de combustível . A área de superfície da célula também pode ser aumentada, para permitir maior corrente de cada célula.

Células a combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs)

Construção de um PEMFC de alta temperatura : Placa bipolar como eletrodo com estrutura de canal de gás fresada, fabricada a partir de compósitos condutores (aprimorados com grafite , negro de fumo , fibra de carbono e / ou nanotubos de carbono para maior condutividade); Papéis de carbono porosos ; camada reativa, geralmente na membrana polimérica aplicada; membrana de polímero.

Condensação de água produzida por um PEMFC na parede do canal de ar. O fio de ouro ao redor da célula garante a captação da corrente elétrica.

Micrografia SEM de uma seção transversal PEMFC MEA com um catodo catalisador de metal não precioso e ânodo Pt / C. Cores falsas aplicadas para maior clareza.

No projeto arquetípico de célula de combustível de membrana de troca de prótons de óxido de hidrogênio , uma membrana polimérica condutora de prótons (normalmente nafion ) contém a solução eletrolítica que separa os lados do ânodo e do cátodo . Isso foi chamado de célula a combustível de eletrólito de polímero sólido ( SPEFC ) no início dos anos 1970, antes que o mecanismo de troca de prótons fosse bem compreendido. (Observe que os sinônimos membrana de eletrólito de polímero e ' mecanismo de troca de prótons resultam no mesmo acrônimo .)

No lado do ânodo, o hidrogênio se difunde para o catalisador do ânodo, onde mais tarde se dissocia em prótons e elétrons. Esses prótons freqüentemente reagem com os oxidantes, fazendo com que se tornem o que é comumente referido como membranas de prótons multifacetadas. Os prótons são conduzidos através da membrana até o cátodo, mas os elétrons são forçados a viajar em um circuito externo (fornecendo energia) porque a membrana é eletricamente isolante. No catalisador catódico, as moléculas de oxigênio reagem com os elétrons (que viajaram pelo circuito externo) e os prótons para formar água.

Em adição a este tipo de hidrogénio puro, existem hidrocarbonetos combustíveis para células de combustível, incluindo diesel , metanol ( ver: células de combustível de metanol directas e células de combustível de metanol indirectas ) e hidretos de químicos. Os produtos residuais com esses tipos de combustível são dióxido de carbono e água. Quando o hidrogênio é usado, o CO ₂ é liberado quando o metano do gás natural é combinado com o vapor, em um processo denominado reforma do metano a vapor , para produzir o hidrogênio. Isso pode ocorrer em um local diferente da célula de combustível, potencialmente permitindo que a célula de combustível de hidrogênio seja usada em ambientes internos - por exemplo, em empilhadeiras.

Os diferentes componentes de um PEMFC são

1. placas bipolares,
2. eletrodos ,
3. catalisador ,
4. membrana, e
5. o hardware necessário, como coletores de corrente e juntas.

Os materiais usados ​​para as diferentes partes das células de combustível variam de acordo com o tipo. As placas bipolares podem ser feitas de diferentes tipos de materiais, como metal, metal revestido, grafite , grafite flexível, compósito C – C , compósito de carbono - polímero, etc. O conjunto de eletrodo de membrana (MEA) é conhecido como o coração de o PEMFC e é geralmente feito de uma membrana de troca de prótons imprensada entre dois papéis de carbono revestidos com catalisador . Platina e / ou metais nobres semelhantes são normalmente usados ​​como catalisador para PEMFC. O eletrólito pode ser uma membrana de polímero .

Problemas de design de célula de combustível de membrana de troca de prótons

Custo

Em 2013, o Departamento de Energia estimou que os custos do sistema de célula de combustível automotivo de 80 kW de US $ 67 por quilowatt poderiam ser alcançados, assumindo um volume de produção de 100.000 unidades automotivas por ano e US $ 55 por quilowatt poderia ser alcançado, assumindo um volume de produção de 500.000 unidades por ano. Muitas empresas estão trabalhando em técnicas para reduzir custos de várias maneiras, incluindo a redução da quantidade de platina necessária em cada célula individual. A Ballard Power Systems fez experiências com um catalisador aprimorado com seda de carbono, que permite uma redução de 30% (1,0–0,7 mg / cm ² ) no uso de platina sem redução no desempenho. Monash University , Melbourne usa PEDOT como um cátodo . Um estudo publicado em 2011 documentou o primeiro eletrocatalisador sem metal usando nanotubos de carbono dopados relativamente baratos , que são menos de 1% do custo da platina e têm desempenho igual ou superior. Um artigo publicado recentemente demonstrou como as cargas ambientais mudam ao usar nanotubos de carbono como substrato de carbono para a platina.

Gestão de água e ar (em PEMFCs)

Nesse tipo de célula a combustível, a membrana deve ser hidratada, exigindo que a água evapore exatamente na mesma taxa em que é produzida. Se a água evapora muito rapidamente, a membrana seca, a resistência através dela aumenta e, eventualmente, ela racha, criando um "curto-circuito" de gás onde o hidrogênio e o oxigênio se combinam diretamente, gerando calor que danificará a célula a combustível. Se a água evaporar muito lentamente, os eletrodos irão inundar, evitando que os reagentes atinjam o catalisador e parando a reação. Métodos para gerenciar a água nas células estão sendo desenvolvidos, como bombas eletroosmóticas com foco no controle de fluxo. Assim como em um motor de combustão, uma proporção constante entre o reagente e o oxigênio é necessária para manter a célula de combustível operando com eficiência.

Gerenciamento de temperatura

A mesma temperatura deve ser mantida em toda a célula para evitar a destruição da célula por carregamento térmico . Isso é particularmente desafiador porque a reação 2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O é altamente exotérmica, de modo que uma grande quantidade de calor é gerada dentro da célula de combustível.

Durabilidade, vida útil e requisitos especiais para alguns tipos de células

As aplicações de células de combustível estacionárias normalmente requerem mais de 40.000 horas de operação confiável a uma temperatura de −35 ° C a 40 ° C (−31 ° F a 104 ° F), enquanto as células de combustível automotivas exigem uma vida útil de 5.000 horas (o equivalente a 240.000 km (150.000 mi)) sob temperaturas extremas. A vida útil atual é de 2.500 horas (cerca de 75.000 milhas). Os motores automotivos também devem ser capazes de dar partida com segurança a −30 ° C (−22 ° F) e ter uma alta relação potência / volume (normalmente 2,5 kW / L).

Tolerância de monóxido de carbono limitada de alguns cátodos (não PEDOT)

Célula de combustível de ácido fosfórico (PAFC)

As células a combustível de ácido fosfórico (PAFC) foram projetadas e introduzidas pela primeira vez em 1961 por GV Elmore e HA Tanner . Nessas células, o ácido fosfórico é usado como eletrólito não condutor para passar íons de hidrogênio positivos do ânodo para o cátodo. Essas células geralmente funcionam em temperaturas de 150 a 200 graus Celsius. Esta alta temperatura causará perda de calor e energia se o calor não for removido e usado corretamente. Este calor pode ser usado para produzir vapor para sistemas de ar condicionado ou qualquer outro sistema de consumo de energia térmica. Usar esse calor na cogeração pode aumentar a eficiência das células a combustível de ácido fosfórico de 40 a 50% para cerca de 80%. O ácido fosfórico, o eletrólito usado nos PAFCs, é um ácido líquido não condutor que força os elétrons a viajarem do ânodo para o cátodo através de um circuito elétrico externo. Como a taxa de produção de íons de hidrogênio no ânodo é pequena, a platina é usada como catalisador para aumentar essa taxa de ionização. A principal desvantagem dessas células é o uso de um eletrólito ácido. Isso aumenta a corrosão ou oxidação de componentes expostos ao ácido fosfórico.

Célula de combustível de ácido sólido (SAFC)

As células a combustível de ácido sólido (SAFCs) são caracterizadas pelo uso de um material ácido sólido como eletrólito. Em baixas temperaturas, os ácidos sólidos têm uma estrutura molecular ordenada como a maioria dos sais. Em temperaturas mais altas (entre 140 e 150  ° C para CsHSO ₄ ), alguns ácidos sólidos passam por uma transição de fase para se tornarem estruturas "superprotônicas" altamente desordenadas, o que aumenta a condutividade em várias ordens de magnitude. Os primeiros SAFCs de prova de conceito foram desenvolvidos em 2000 usando sulfato de hidrogênio de césio (CsHSO ₄ ). Os sistemas SAFC atuais usam dihidrogenofosfato de césio (CsH ₂ PO ₄ ) e têm demonstrado uma vida útil de milhares de horas.

Célula de combustível alcalina (AFC)

A célula de combustível alcalina ou célula de combustível de hidrogênio-oxigênio foi projetada e demonstrada publicamente por Francis Thomas Bacon em 1959. Foi usada como fonte primária de energia elétrica no programa espacial Apollo. A célula consiste em dois eletrodos de carbono poroso impregnados com um catalisador adequado, como Pt, Ag, CoO, etc. O espaço entre os dois eletrodos é preenchido com uma solução concentrada de KOH ou NaOH que serve como um eletrólito. H ₂ gás e S ₂ de gás são borbulhar para o electrólito através dos eléctrodos de carbono porosas. Assim, a reação geral envolve a combinação de gás hidrogênio e gás oxigênio para formar água. A célula funciona continuamente até que o suprimento de reagente se esgote. Este tipo de célula opera com eficiência na faixa de temperatura 343-413  K e fornece um potencial de cerca de 0,9  V. AAEMFC é um tipo de AFC que emprega um eletrólito de polímero sólido em vez de hidróxido de potássio aquoso (KOH) e é superior ao AFC aquoso .

Células a combustível de alta temperatura

Célula de combustível de óxido sólido

As células a combustível de óxido sólido (SOFCs) usam um material sólido, mais comumente um material cerâmico denominado zircônia estabilizada com ítria (YSZ), como eletrólito . Como as SOFCs são feitas inteiramente de materiais sólidos, elas não se limitam à configuração plana de outros tipos de células de combustível e costumam ser projetadas como tubos laminados. Eles requerem altas temperaturas de operação (800–1000 ° C) e podem funcionar com uma variedade de combustíveis, incluindo gás natural.

SOFCs são únicos, pois nesses, íons de oxigênio carregados negativamente viajam do cátodo (lado positivo da célula de combustível) para o ânodo (lado negativo da célula de combustível) em vez de íons de hidrogênio carregados positivamente viajando do ânodo para o cátodo, como é o caso em todos os outros tipos de células de combustível. O gás oxigênio é alimentado através do cátodo, onde absorve elétrons para criar íons de oxigênio. Os íons de oxigênio então viajam através do eletrólito para reagir com o gás hidrogênio no ânodo. A reação no ânodo produz eletricidade e água como subprodutos. O dióxido de carbono também pode ser um subproduto dependendo do combustível, mas as emissões de carbono de um sistema SOFC são menores do que as de uma usina de combustão de combustível fóssil. As reações químicas para o sistema SOFC podem ser expressas da seguinte forma:

Reação anódica : 2H ₂ + 2O ²⁻ → 2H ₂ O + 4e ^-

Reação do cátodo : O ₂ + 4e ^- → 2O ²⁻

Reação celular geral : 2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O

Os sistemas SOFC podem funcionar com outros combustíveis além do gás hidrogênio puro. No entanto, como o hidrogênio é necessário para as reações listadas acima, o combustível selecionado deve conter átomos de hidrogênio. Para que a célula a combustível funcione, o combustível deve ser convertido em gás hidrogênio puro. SOFCs são capazes de reformar internamente hidrocarbonetos leves como metano (gás natural), propano e butano. Essas células de combustível estão em um estágio inicial de desenvolvimento.

Existem desafios em sistemas SOFC devido às suas altas temperaturas de operação. Um desses desafios é o potencial de acumulação de pó de carbono no ânodo, o que retarda o processo de reforma interna. Pesquisas para tratar dessa questão de "coque de carbono" na Universidade da Pensilvânia mostraram que o uso de cermet à base de cobre (materiais resistentes ao calor feitos de cerâmica e metal) pode reduzir a coqueificação e a perda de desempenho. Outra desvantagem dos sistemas SOFC é o tempo de inicialização lento, tornando as SOFCs menos úteis para aplicativos móveis. Apesar dessas desvantagens, uma alta temperatura de operação fornece uma vantagem ao remover a necessidade de um catalisador de metal precioso como a platina, reduzindo assim o custo. Além disso, o calor residual dos sistemas SOFC pode ser capturado e reutilizado, aumentando a eficiência geral teórica para até 80-85%.

A alta temperatura de operação é em grande parte devido às propriedades físicas do eletrólito YSZ. Conforme a temperatura diminui, o mesmo ocorre com a condutividade iônica de YSZ. Portanto, para obter o desempenho ideal da célula de combustível, é necessária uma alta temperatura de operação. De acordo com seu site, a Ceres Power , fabricante de células de combustível SOFC do Reino Unido, desenvolveu um método para reduzir a temperatura operacional de seu sistema SOFC para 500–600 graus Celsius. Eles substituíram o eletrólito YSZ comumente usado por um eletrólito CGO (óxido de gadolínio de cério). A temperatura de operação mais baixa permite que eles usem aço inoxidável em vez de cerâmica como substrato da célula, o que reduz o custo e o tempo de inicialização do sistema.

Célula de combustível de carbonato fundido (MCFC)

As células a combustível de carbonato fundido (MCFCs) requerem uma alta temperatura operacional, 650 ° C (1.200 ° F), semelhante às SOFCs . Os MCFCs usam sal de carbonato de potássio e lítio como eletrólito, e esse sal se liquefaz em altas temperaturas, permitindo o movimento da carga dentro da célula - neste caso, íons carbonato negativos.

Assim como os SOFCs, os MCFCs são capazes de converter combustível fóssil em um gás rico em hidrogênio no ânodo, eliminando a necessidade de produzir hidrogênio externamente. O processo de reforma cria CO
2emissões. Os combustíveis compatíveis com MCFC incluem gás natural, biogás e gás produzido a partir do carvão. O hidrogênio no gás reage com os íons carbonato do eletrólito para produzir água, dióxido de carbono, elétrons e pequenas quantidades de outros produtos químicos. Os elétrons viajam por um circuito externo, criando eletricidade e retornando ao cátodo. Lá, o oxigênio do ar e o dióxido de carbono reciclado do ânodo reagem com os elétrons para formar íons carbonato que reabastecem o eletrólito, completando o circuito. As reações químicas para um sistema MCFC podem ser expressas da seguinte forma:

Reação anódica : CO ₃ ²⁻ + H ₂ → H ₂ O + CO ₂ + 2e ^-

Reação do cátodo : CO ₂ + ½O ₂ + 2e ^- → CO ₃ ²⁻

Reacção global da célula : H ₂ + ½O ₂ → H ₂ S

Tal como acontece com os SOFCs, as desvantagens do MCFC incluem tempos de inicialização lentos devido à alta temperatura de operação. Isso faz com que os sistemas MCFC não sejam adequados para aplicações móveis e essa tecnologia provavelmente será usada para fins de células de combustível estacionárias. O principal desafio da tecnologia MCFC é a curta vida útil das células. A alta temperatura e o eletrólito de carbonato levam à corrosão do ânodo e do cátodo. Esses fatores aceleram a degradação dos componentes do MCFC, diminuindo a durabilidade e a vida útil das células. Os pesquisadores estão abordando esse problema explorando materiais resistentes à corrosão para componentes, bem como projetos de células de combustível que podem aumentar a vida útil da célula sem diminuir o desempenho.

Os MCFCs possuem várias vantagens sobre outras tecnologias de células de combustível, incluindo sua resistência a impurezas. Eles não são propensos a "coque de carbono", que se refere ao acúmulo de carbono no ânodo que resulta em desempenho reduzido ao desacelerar o processo interno de reforma do combustível . Portanto, combustíveis ricos em carbono, como gases feitos de carvão, são compatíveis com o sistema. O Departamento de Energia dos Estados Unidos afirma que o carvão, por si só, pode até ser uma opção de combustível no futuro, supondo que o sistema possa se tornar resistente a impurezas como enxofre e partículas que resultam da conversão do carvão em hidrogênio. Os MCFCs também têm eficiências relativamente altas. Eles podem alcançar uma eficiência de combustível para eletricidade de 50%, consideravelmente mais alta do que a eficiência de 37-42% de uma planta de célula a combustível de ácido fosfórico. A eficiência pode chegar a 65% quando a célula de combustível é emparelhada com uma turbina e 85% se o calor for capturado e usado em um sistema combinado de calor e energia (CHP).

A FuelCell Energy, um fabricante de células a combustível com sede em Connecticut, desenvolve e vende células a combustível MCFC. A empresa diz que seus produtos MCFC variam de sistemas de 300 kW a 2,8 MW que atingem 47% de eficiência elétrica e podem utilizar a tecnologia CHP para obter eficiências gerais mais altas. Um produto, o DFC-ERG, é combinado com uma turbina a gás e, segundo a empresa, atinge uma eficiência elétrica de 65%.

Célula de combustível de armazenamento elétrico

A célula de combustível de armazenamento elétrico é uma bateria convencional carregável por entrada de energia elétrica, utilizando o efeito eletroquímico convencional. No entanto, a bateria inclui ainda entradas de hidrogênio (e oxigênio) para, alternativamente, carregar a bateria quimicamente.

Comparação de tipos de células de combustível

Glossário de termos na tabela:

Ânodo

Eletrodo em que ocorre a oxidação (perda de elétrons). Para células de combustível e outras células galvânicas, o ânodo é o terminal negativo; para células eletrolíticas (onde ocorre a eletrólise), o ânodo é o terminal positivo.

Solução aquosa

De, relacionado a, ou semelhante à água

Feito de, com ou por água.

Catalisador

Uma substância química que aumenta a taxa de uma reação sem ser consumida; após a reação, ele pode ser potencialmente recuperado da mistura de reação e é quimicamente inalterado. O catalisador diminui a energia de ativação necessária, permitindo que a reação prossiga mais rapidamente ou a uma temperatura mais baixa. Em uma célula de combustível, o catalisador facilita a reação de oxigênio e hidrogênio. Geralmente é feito de pó de platina, revestido com uma camada muito fina de papel carbono ou tecido. O catalisador é áspero e poroso, então a área máxima de superfície da platina pode ser exposta ao hidrogênio ou oxigênio. O lado revestido de platina do catalisador está voltado para a membrana da célula de combustível.

Cátodo

O eletrodo no qual ocorre a redução (um ganho de elétrons). Para células de combustível e outras células galvânicas, o cátodo é o terminal positivo; para células eletrolíticas (onde ocorre a eletrólise), o cátodo é o terminal negativo.

Eletrólito

Uma substância que conduz íons carregados de um eletrodo para outro em uma célula de combustível, bateria ou eletrolisador.

Pilha de células de combustível

Células de combustível individuais conectadas em série. As células de combustível são empilhadas para aumentar a voltagem.

Matriz

algo dentro ou do qual alguma outra coisa se origina, se desenvolve ou toma forma.

Membrana

A camada de separação em uma célula de combustível que atua como eletrólito (um trocador de íons), bem como uma película de barreira que separa os gases nos compartimentos de ânodo e cátodo da célula de combustível.

Célula de combustível de carbonato fundido (MCFC)

Um tipo de célula de combustível que contém um eletrólito carbonato fundido. Os íons carbonato (CO ₃ ²⁻ ) são transportados do cátodo para o ânodo. As temperaturas operacionais são normalmente próximas a 650 ° C.

Célula de combustível de ácido fosfórico (PAFC)

Tipo de célula de combustível em que o eletrólito consiste em ácido fosfórico concentrado (H ₃ PO ₄ ). Os prótons (H +) são transportados do ânodo para o cátodo. A faixa de temperatura operacional é geralmente 160–220 ° C.

Célula a combustível de membrana de troca de prótons (PEM)

Uma célula de combustível que incorpora uma membrana de polímero sólido usada como seu eletrólito. Os prótons (H +) são transportados do ânodo para o cátodo. A faixa de temperatura operacional é geralmente de 60–100 ° C para célula a combustível de membrana de troca de prótons de baixa temperatura (LT-PEMFC). A célula a combustível PEM com temperatura operacional de 120-200 ° C é chamada de célula a combustível de membrana de troca de prótons de alta temperatura (HT-PEMFC).

Célula de combustível de óxido sólido (SOFC)

Tipo de célula de combustível em que o eletrólito é um óxido de metal sólido não poroso, normalmente óxido de zircônio (ZrO ₂ ) tratado com Y ₂ O ₃ e O ²⁻ é transportado do cátodo para o ânodo. Qualquer CO no gás reformado é oxidado a CO ₂ no ânodo. As temperaturas de operação são normalmente de 800-1.000 ° C.

Solução

Ato ou processo pelo qual uma substância sólida, líquida ou gasosa é homogeneamente misturada com um líquido ou, às vezes, com um gás ou sólido.

Uma mistura homogênea formada por este processo; especialmente: um sistema líquido monofásico.

A condição de ser dissolvido.

Eficiência dos principais tipos de células de combustível

Eficiência máxima teórica

A eficiência energética de um sistema ou dispositivo que converte energia é medida pela razão entre a quantidade de energia útil produzida pelo sistema ("energia de saída") e a quantidade total de energia que é colocada ("energia de entrada") ou pela energia útil de saída como uma porcentagem da energia total de entrada. No caso das células a combustível, a energia útil de saída é medida em energia elétrica produzida pelo sistema. A energia de entrada é a energia armazenada no combustível. De acordo com o Departamento de Energia dos Estados Unidos, as células de combustível têm geralmente entre 40 e 60% de eficiência energética. Isso é maior do que alguns outros sistemas de geração de energia. Por exemplo, o motor de combustão interna típico de um carro tem cerca de 25% de eficiência energética. Em sistemas combinados de calor e energia (CHP), o calor produzido pela célula de combustível é capturado e colocado em uso, aumentando a eficiência do sistema em até 85-90%.

A eficiência máxima teórica de qualquer tipo de sistema de geração de energia nunca é atingida na prática, e não considera outras etapas da geração de energia, como produção, transporte e armazenamento de combustível e conversão da eletricidade em energia mecânica. No entanto, este cálculo permite a comparação de diferentes tipos de geração de energia. A eficiência máxima teórica de uma célula de combustível se aproxima de 100%, enquanto a eficiência máxima teórica dos motores de combustão interna é de aproximadamente 58%.

Na prática

Em um veículo com célula de combustível, a eficiência tanque-roda é maior que 45% em cargas baixas e mostra valores médios de cerca de 36% quando um ciclo de direção como o NEDC ( New European Driving Cycle ) é usado como procedimento de teste. O valor NEDC comparável para um veículo Diesel é de 22%. Em 2008, a Honda lançou um veículo elétrico de célula de combustível de demonstração (o Honda FCX Clarity ) com uma pilha de combustível que afirmava uma eficiência tanque-roda de 60%.

Também é importante levar em consideração as perdas devido à produção, transporte e armazenamento de combustível. Os veículos de célula de combustível que funcionam com hidrogênio comprimido podem ter uma eficiência da usina à roda de 22% se o hidrogênio for armazenado como gás de alta pressão e 17% se for armazenado como hidrogênio líquido . As células de combustível não podem armazenar energia como uma bateria, exceto como hidrogênio, mas em algumas aplicações, como usinas autônomas baseadas em fontes descontínuas, como energia solar ou eólica , elas são combinadas com eletrolisadores e sistemas de armazenamento para formar um sistema de armazenamento de energia . Em 2019, 90% do hidrogênio era usado para refino de petróleo, produtos químicos e produção de fertilizantes, e 98% do hidrogênio é produzido pela reforma do metano a vapor , que emite dióxido de carbono. A eficiência geral (eletricidade para hidrogênio e de volta para eletricidade) de tais usinas (conhecida como eficiência de ida e volta ), usando hidrogênio puro e oxigênio puro, pode ser "de 35 a 50 por cento", dependendo da densidade do gás e outras condições. O sistema de eletrolisador / célula de combustível pode armazenar quantidades indefinidas de hidrogênio e, portanto, é adequado para armazenamento de longo prazo.

As células a combustível de óxido sólido produzem calor a partir da recombinação do oxigênio e do hidrogênio. A cerâmica pode aquecer até 800 graus Celsius. Este calor pode ser capturado e usado para aquecer água em uma aplicação micro combinada de calor e energia (m-CHP). Quando o calor é capturado, a eficiência total pode chegar a 80–90% na unidade, mas não considera as perdas de produção e distribuição. As unidades CHP estão sendo desenvolvidas hoje para o mercado doméstico europeu.

O professor Jeremy P. Meyers, na revista Electrochemical Society Interface em 2008, escreveu: "Embora as células de combustível sejam eficientes em relação aos motores de combustão, elas não são tão eficientes quanto as baterias, principalmente devido à ineficiência da reação de redução de oxigênio (e .. . a reação de evolução de oxigênio, caso o hidrogênio seja formado por eletrólise de água) .... [Eles] fazem mais sentido para operação desconectada da rede, ou quando o combustível pode ser fornecido continuamente. Para aplicações que requerem frequente e relativamente arranques rápidos ... onde emissões zero são um requisito, como em espaços fechados, como armazéns, e onde o hidrogênio é considerado um reagente aceitável, uma [célula de combustível PEM] está se tornando uma escolha cada vez mais atraente [se a troca de baterias for inconveniente] " Em 2013, organizações militares estavam avaliando células de combustível para determinar se elas poderiam reduzir significativamente o peso da bateria carregada pelos soldados.

Formulários

Submarino Tipo 212 com propulsão a célula de combustível da Marinha Alemã em doca seca

Poder

As células de combustível estacionárias são usadas para geração de energia comercial, industrial e residencial primária e de reserva. As células de combustível são muito úteis como fontes de energia em locais remotos, como espaçonaves, estações meteorológicas remotas, grandes parques, centros de comunicações, locais rurais, incluindo estações de pesquisa e em certas aplicações militares. Um sistema de célula de combustível operando com hidrogênio pode ser compacto e leve e não ter grandes partes móveis. Como as células de combustível não possuem partes móveis e não envolvem combustão, em condições ideais elas podem atingir até 99,9999% de confiabilidade. Isso equivale a menos de um minuto de inatividade em um período de seis anos.

Uma vez que os sistemas eletrolisadores de célula de combustível não armazenam combustível em si mesmos, mas dependem de unidades de armazenamento externas, eles podem ser aplicados com sucesso no armazenamento de energia em grande escala, as áreas rurais são um exemplo. Existem muitos tipos diferentes de células de combustível estacionárias, portanto a eficiência varia, mas a maioria tem entre 40% e 60% de eficiência energética. No entanto, quando o calor residual da célula de combustível é usado para aquecer um edifício em um sistema de cogeração, essa eficiência pode aumentar para 85%. Isso é significativamente mais eficiente do que as usinas de carvão tradicionais, que têm apenas cerca de um terço de eficiência energética. Presumindo a produção em escala, as células de combustível poderiam economizar de 20 a 40% nos custos de energia quando usadas em sistemas de cogeração. As células de combustível também são muito mais limpas do que a geração de energia tradicional; uma usina de célula de combustível usando gás natural como fonte de hidrogênio criaria menos de 30 gramas de poluição (diferente de CO
2) para cada 1.000 kW · h produzidos, em comparação com 25 libras de poluentes gerados por sistemas de combustão convencionais. As células de combustível também produzem 97% menos emissões de óxido de nitrogênio do que as usinas convencionais movidas a carvão.

Um desses programas piloto está operando na Ilha Stuart, no estado de Washington. Lá, a Stuart Island Energy Initiative construiu um sistema completo em circuito fechado: os painéis solares alimentam um eletrolisador, que produz hidrogênio. O hidrogênio é armazenado em um tanque de 500 galões americanos (1.900 L) a 200 libras por polegada quadrada (1.400 kPa) e opera uma célula de combustível ReliOn para fornecer backup elétrico completo para a residência fora da rede. Outro loop de sistema fechado foi revelado no final de 2011 em Hempstead, NY.

As células de combustível podem ser usadas com gás de baixa qualidade de aterros ou estações de tratamento de águas residuais para gerar energia e reduzir as emissões de metano . Uma usina de célula de combustível de 2,8 MW na Califórnia é considerada a maior do tipo. Células de combustível de pequena escala (abaixo de 5 kWhr) estão sendo desenvolvidas para uso em implantação residencial fora da rede.

Cogeração

Os sistemas de células de combustível combinadas de calor e energia (CHP), incluindo sistemas micro combinados de calor e energia (MicroCHP), são usados ​​para gerar eletricidade e calor para residências (consulte célula de combustível doméstica ), prédios de escritórios e fábricas. O sistema gera energia elétrica constante (vendendo o excesso de energia de volta à rede quando não é consumida) e, ao mesmo tempo, produz ar quente e água a partir do calor residual . Como resultado, os sistemas CHP têm o potencial de economizar energia primária, pois podem aproveitar o calor residual, que geralmente é rejeitado pelos sistemas de conversão de energia térmica. Uma faixa de capacidade típica de célula de combustível doméstica é de 1–3 kW _el , 4–8 kW _th . Os sistemas CHP ligados a chillers de absorção usam o calor residual para refrigeração .

O calor residual das células de combustível pode ser desviado durante o verão diretamente para o solo, proporcionando mais resfriamento, enquanto o calor residual durante o inverno pode ser bombeado diretamente para o prédio. A Universidade de Minnesota detém os direitos de patente para este tipo de sistema

Os sistemas de cogeração podem atingir 85% de eficiência (40-60% elétricos e o restante como térmico). As células a combustível de ácido fosfórico (PAFC) constituem o maior segmento de produtos CHP existentes em todo o mundo e podem fornecer eficiências combinadas próximas a 90%. Carbonato fundido (MCFC) e células a combustível de óxido sólido (SOFC) também são usados ​​para geração combinada de calor e energia e têm eficiências de energia elétrica em torno de 60%. As desvantagens dos sistemas de cogeração incluem taxas de aumento e redução lentas, alto custo e vida útil curta. Além disso, a necessidade de ter um tanque de armazenamento de água quente para suavizar a produção de calor térmico era uma séria desvantagem no mercado doméstico, onde o espaço em propriedades domésticas é muito valioso.

Os consultores da Delta-ee afirmaram em 2013 que, com 64% das vendas globais, o calor e energia micro combinados de célula de combustível ultrapassaram os sistemas convencionais em vendas em 2012. O projeto japonês ENE FARM passará 100.000 sistemas FC mCHP em 2014, 34.213 PEMFC e 2.224 SOFC foi instalado no período de 2012–2014, 30.000 unidades em GNL e 6.000 em GLP .

Veículos elétricos de célula de combustível (FCEVs)

Configuração de componentes em um carro com célula de combustível

Toyota Mirai

Veículo de célula de combustível Element One

Automóveis

No final do ano de 2019, cerca de 18.000 FCEVs foram alugados ou vendidos em todo o mundo. Três veículos elétricos com célula de combustível foram introduzidos para locação comercial e venda: o Honda Clarity , o Toyota Mirai e o Hyundai ix35 FCEV . Modelos de demonstração adicionais incluem o Honda FCX Clarity e o Mercedes-Benz F-Cell . Em junho de 2011, os FCEVs de demonstração haviam dirigido mais de 4.800.000 km (3.000.000 mi), com mais de 27.000 reabastecimentos. Os veículos elétricos com célula de combustível apresentam um alcance médio de 314 milhas entre os reabastecimentos. Eles podem ser reabastecidos em menos de 5 minutos. O Programa de Tecnologia de Célula de Combustível do Departamento de Energia dos EUA afirma que, a partir de 2011, as células de combustível alcançaram 53-59% de eficiência em um quarto da potência e 42-53% de eficiência do veículo em potência máxima, e uma durabilidade de mais de 120.000 km (75.000 mi ) com degradação inferior a 10%. Em uma análise de simulação Well-to-Wheels de 2017 que "não abordou as restrições econômicas e de mercado", a General Motors e seus parceiros estimaram que, por milha percorrida, um veículo elétrico de célula a combustível movido a hidrogênio gasoso comprimido produzido a partir do gás natural poderia usar cerca de 40% menos energia e emitem 45% menos gases de efeito estufa do que um veículo de combustão interna.

Em 2015, a Toyota lançou seu primeiro veículo com célula de combustível, o Mirai, a um preço de US $ 57.000. Hyundai introduziu a produção limitada Hyundai ix35 FCEV sob um contrato de arrendamento. Em 2016, a Honda começou a locar a célula de combustível Honda Clarity. Em 2020, a Toyota introduziu a segunda geração de sua marca Mirai, melhorando a eficiência de combustível e expandindo o alcance em comparação com o modelo Sedan 2014 original.

Crítica

Alguns comentaristas acreditam que os carros com célula de combustível a hidrogênio nunca se tornarão economicamente competitivos com outras tecnologias ou que levarão décadas para se tornarem lucrativos. Elon Musk, CEO da fabricante de veículos elétricos a bateria Tesla Motors , afirmou em 2015 que as células de combustível para uso em carros nunca serão comercialmente viáveis ​​devido à ineficiência de produção, transporte e armazenamento de hidrogênio e à inflamabilidade do gás, entre outros motivos.

Em 2012, a Lux Research, Inc. divulgou um relatório que afirmava: "O sonho de uma economia de hidrogênio ... não está mais perto". Concluiu que "O custo de capital ... limitará a adoção a meros 5,9 GW" até 2030, fornecendo "uma barreira quase intransponível para a adoção, exceto em aplicações de nicho". A análise concluiu que, até 2030, o mercado estacionário da PEM alcançará US $ 1 bilhão, enquanto o mercado de veículos, incluindo empilhadeiras, alcançará um total de US $ 2 bilhões. Outras análises citam a falta de uma ampla infraestrutura de hidrogênio nos Estados Unidos como um desafio contínuo para a comercialização de veículos elétricos com célula de combustível.

Em 2014, Joseph Romm , autor de The Hype About Hydrogen (2005), disse que os FCVs ainda não haviam superado o alto custo de abastecimento, a falta de infraestrutura de entrega de combustível e a poluição causada pela produção de hidrogênio. "Seriam necessários vários milagres para superar todos esses problemas simultaneamente nas próximas décadas." Ele concluiu que a energia renovável não pode ser economicamente usada para produzir hidrogênio para uma frota de FCV "agora ou no futuro." O analista da Greentech Media chegou a conclusões semelhantes em 2014. Em 2015, a Clean Technica listou algumas das desvantagens dos veículos com célula de combustível a hidrogênio. O Car Throttle também .

Um vídeo de 2019 da Real Engineering observou que, apesar da introdução de veículos movidos a hidrogênio, o uso do hidrogênio como combustível para automóveis não ajuda a reduzir as emissões de carbono do transporte. 95% do hidrogênio ainda produzido a partir de combustíveis fósseis libera dióxido de carbono, e a produção de hidrogênio a partir da água é um processo que consome energia. Armazenar hidrogênio requer mais energia para resfriá-lo ao estado líquido ou para colocá-lo em tanques sob alta pressão, e entregar o hidrogênio aos postos de abastecimento requer mais energia e pode liberar mais carbono. O hidrogênio necessário para mover um FCV por quilômetro custa aproximadamente 8 vezes mais do que a eletricidade necessária para mover um BEV na mesma distância. Uma avaliação de 2020 concluiu que os veículos a hidrogênio ainda são apenas 38% eficientes, enquanto os VEs com bateria são 80% eficientes.

Ônibus

Toyota FCHV-BUS na Expo 2005

Em agosto de 2011, havia cerca de 100 ônibus com células de combustível em serviço em todo o mundo. A maioria deles foi fabricada pela UTC Power , Toyota, Ballard, Hydrogenics e Proton Motor. Os ônibus da UTC percorreram mais de 970.000 km (600.000 mi) em 2011. Os ônibus com células de combustível têm uma economia de combustível de 39% a 141% maior do que os ônibus a diesel e os ônibus a gás natural.

Em 2019, o NREL estava avaliando vários projetos de ônibus de célula de combustível atuais e planejados nos EUA

Empilhadeiras

Uma empilhadeira de célula de combustível (também chamada de empilhadeira de célula de combustível) é uma empilhadeira industrial movida a célula de combustível usada para elevar e transportar materiais. Em 2013, havia mais de 4.000 empilhadeiras de célula de combustível usadas no manuseio de materiais nos EUA, das quais 500 receberam financiamento do DOE (2012). As frotas de células de combustível são operadas por várias empresas, incluindo Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO (na Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark e Whole Foods) e HEB Grocers. A Europa demonstrou 30 empilhadeiras de célula de combustível com Hylift e estendeu-as com HyLIFT-EUROPE para 200 unidades, com outros projetos na França e na Áustria . A Pike Research projetou em 2011 que as empilhadeiras movidas a célula de combustível seriam o maior impulsionador da demanda de combustível de hidrogênio até 2020.

A maioria das empresas na Europa e nos Estados Unidos não usa empilhadeiras movidas a petróleo, pois esses veículos trabalham em ambientes internos onde as emissões devem ser controladas e, em vez disso, usam empilhadeiras elétricas. As empilhadeiras movidas a célula de combustível podem oferecer benefícios em relação às empilhadeiras movidas a bateria, pois podem ser reabastecidas em 3 minutos e podem ser usadas em armazéns refrigerados, onde seu desempenho não é prejudicado por temperaturas mais baixas. As unidades FC são freqüentemente projetadas como substitutos imediatos.

Motos e bicicletas

Em 2005, um fabricante britânico de células de combustível movidas a hidrogênio, Intelligent Energy (IE), produziu a primeira motocicleta movida a hidrogênio chamada ENV (Emission Neutral Vehicle). A motocicleta tem combustível suficiente para rodar por quatro horas e viajar 160 km (100 mi) em uma área urbana, a uma velocidade máxima de 80 km / h (50 mph). Em 2004, a Honda desenvolveu uma motocicleta com célula de combustível que utilizava o Honda FC Stack.

Outros exemplos de motocicletas e bicicletas que usam células de combustível de hidrogênio incluem a scooter da empresa taiwanesa APFCT usando o sistema de abastecimento da italiana Acta SpA e a scooter Suzuki Burgman com célula de combustível IE que recebeu a aprovação de tipo de veículo inteiro da UE em 2011. Suzuki Motor Corp. e O IE anunciou uma joint venture para acelerar a comercialização de veículos com emissão zero.

Aviões

Em 2003, voou o primeiro avião movido a hélice do mundo movido inteiramente por uma célula de combustível. A célula de combustível era um projeto de pilha que permitia que a célula de combustível fosse integrada às superfícies aerodinâmicas do avião. Veículos aéreos não tripulados movidos a célula de combustível (UAV) incluem um UAV de célula de combustível Horizon que estabeleceu o recorde de distância voada para um pequeno UAV em 2007. Pesquisadores da Boeing e parceiros da indústria em toda a Europa realizaram testes de voo experimental em fevereiro de 2008 de um avião tripulado movido apenas por uma célula de combustível e baterias leves. O avião demonstrador de célula de combustível, como foi chamado, usava um sistema híbrido de célula de combustível / bateria de íon-lítio com membrana de troca de prótons (PEM) para alimentar um motor elétrico, que era acoplado a uma hélice convencional.

Em 2009, o Ion Tiger do Naval Research Laboratory (NRL) utilizou uma célula de combustível movida a hidrogênio e voou 23 horas e 17 minutos. As células a combustível também estão sendo testadas e consideradas para fornecer energia auxiliar em aeronaves, substituindo os geradores de combustível fóssil que antes eram usados ​​para dar partida nos motores e alimentar as necessidades elétricas de bordo, reduzindo as emissões de carbono. Em 2016, um drone Raptor E1 fez um vôo de teste bem-sucedido usando uma célula de combustível mais leve do que a bateria de íon de lítio que substituiu. O vôo durou 10 minutos a uma altitude de 80 metros (260 pés), embora a célula de combustível tivesse combustível suficiente para voar por duas horas. O combustível estava contido em aproximadamente 100 grânulos sólidos de 1 centímetro quadrado (0,16 pol²) compostos de um produto químico patenteado dentro de um cartucho não pressurizado. Os pellets são fisicamente robustos e operam em temperaturas de até 50 ° C (122 ° F). A célula era da Arcola Energy.

Lockheed Martin Skunk Works Stalker é um UAV elétrico movido por célula de combustível de óxido sólido.

Barcos

O primeiro barco de célula de combustível certificado do mundo ( HYDRA ), em Leipzig / Alemanha

O primeiro barco com célula de combustível do mundo, HYDRA, usou um sistema AFC com 6,5 kW de potência líquida. Amsterdã introduziu barcos movidos a células de combustível que transportam as pessoas pelos canais da cidade.

Submarinos

Os submarinos Tipo 212 das marinhas alemã e italiana usam células de combustível para permanecer submersos por semanas sem a necessidade de subir à superfície.

O U212A é um submarino não nuclear desenvolvido pelo estaleiro naval alemão Howaldtswerke Deutsche Werft. O sistema consiste em nove células de combustível PEM, fornecendo entre 30 kW e 50 kW cada. O navio é silencioso, o que lhe dá uma vantagem na detecção de outros submarinos. Um jornal naval teorizou sobre a possibilidade de um híbrido de célula de combustível nuclear em que a célula de combustível é usada quando operações silenciosas são necessárias e então reabastecida a partir do reator nuclear (e água).

Sistemas de energia portáteis

Os sistemas portáteis de células de combustível são geralmente classificados como pesando menos de 10 kg e fornecendo energia inferior a 5 kW. O tamanho do mercado potencial para células de combustível menores é bastante grande, com uma taxa de crescimento potencial de até 40% ao ano e um tamanho de mercado de cerca de US $ 10 bilhões, levando uma grande quantidade de pesquisas a serem dedicadas ao desenvolvimento de células de energia portáteis. Dentro deste mercado, foram identificados dois grupos. O primeiro é o mercado de microcélulas a combustível, na faixa de 1 a 50 W para dispositivos eletrônicos de menor porte. O segundo é a faixa de 1-5 kW de geradores para geração de energia em maior escala (por exemplo, postos militares, campos de petróleo remotos).

As células de microcombustível têm como objetivo principal penetrar no mercado de telefones e laptops. Isso pode ser atribuído principalmente à densidade de energia vantajosa fornecida pelas células de combustível em relação a uma bateria de íon-lítio, para todo o sistema. Para uma bateria, este sistema inclui o carregador e também a própria bateria. Para a célula de combustível, este sistema incluiria a célula, o combustível necessário e acessórios periféricos. Levando em consideração o sistema completo, as células de combustível fornecem 530 Wh / kg em comparação com 44 Wh / kg para baterias de íon de lítio. No entanto, embora o peso dos sistemas de células de combustível ofereçam uma vantagem distinta, os custos atuais não estão a seu favor. enquanto um sistema de bateria geralmente custa cerca de US $ 1,20 por Wh, os sistemas de células de combustível custam cerca de US $ 5 por Wh, o que os coloca em uma desvantagem significativa.

Conforme as demandas de energia para telefones celulares aumentam, as células de combustível podem se tornar opções muito mais atraentes para geração de energia maior. A demanda por mais tempo em telefones e computadores é algo frequentemente exigido pelos consumidores para que as células de combustível possam começar a fazer progressos nos mercados de laptops e telefones celulares. O preço continuará caindo à medida que o desenvolvimento das células de combustível continua a acelerar. As estratégias atuais para melhorar as microcélulas a combustível são por meio do uso de nanotubos de carbono . Foi demonstrado por Girishkumar et al. que a deposição de nanotubos nas superfícies dos eletrodos permite uma área de superfície substancialmente maior, aumentando a taxa de redução de oxigênio.

As células de combustível para uso em operações em grande escala também são muito promissoras. Os sistemas de energia portáteis que usam células de combustível podem ser usados ​​no setor de lazer (ou seja, RVs, cabines, marítimo), o setor industrial (ou seja, energia para locais remotos, incluindo locais de poços de gás / petróleo, torres de comunicação, segurança, estações meteorológicas) e no setor militar. A SFC Energy é um fabricante alemão de células de combustível de metanol direto para uma variedade de sistemas de energia portáteis. Ensol Systems Inc. é um integrador de sistemas de energia portáteis, usando o SFC Energy DMFC. A principal vantagem das células a combustível neste mercado é a grande geração de energia por peso. Embora as células de combustível possam ser caras, para locais remotos que requerem energia confiável, as células de combustível têm grande poder. Para uma excursão de 72 horas, a comparação em peso é substancial, com uma célula de combustível pesando apenas 15 libras em comparação com 29 libras de baterias necessárias para a mesma energia.

Outras aplicações

• Fornecimento de energia para estações base ou locais de celular
• Geração distribuída
• Os sistemas de energia de emergência são um tipo de sistema de célula de combustível, que pode incluir iluminação, geradores e outros aparelhos, para fornecer recursos de backup em uma crise ou quando os sistemas normais falham. Eles encontram usos em uma ampla variedade de ambientes, de residências a hospitais, laboratórios científicos, centros de dados ,
• Equipamentos de telecomunicações e navios de guerra modernos.
• Uma fonte de alimentação ininterrupta ( UPS ) fornece energia de emergência e, dependendo da topologia, fornece regulação de linha também para equipamentos conectados, fornecendo energia de uma fonte separada quando a energia da rede elétrica não está disponível. Ao contrário de um gerador de reserva, ele pode fornecer proteção instantânea contra uma interrupção momentânea de energia.
• Usinas de carga de base
• Aquecimento de água de célula de combustível de hidrogênio solar
• Veículos híbridos , emparelhando a célula de combustível com um ICE ou uma bateria.
• Notebooks para aplicações em que o carregamento CA pode não estar disponível.
• Docks portáteis de carregamento para eletrônicos pequenos (por exemplo, um clipe de cinto que carrega um telefone celular ou PDA ).
• Smartphones , laptops e tablets.
• Pequenos aparelhos de aquecimento
• Conservação de alimentos , obtida pela exaustão do oxigênio e manutenção automática da exaustão de oxigênio em um contêiner de transporte, contendo, por exemplo, peixe fresco.
• Bafômetros , onde a quantidade de voltagem gerada por uma célula a combustível é usada para determinar a concentração de combustível (álcool) na amostra.
• Detector de monóxido de carbono , sensor eletroquímico.

Postos de abastecimento

Estação de abastecimento de hidrogênio .

De acordo com o FuelCellsWorks, um grupo da indústria, no final de 2019, 330 postos de abastecimento de hidrogênio estavam abertos ao público em todo o mundo. Em junho de 2020, havia 178 estações de hidrogênio disponíveis publicamente em operação na Ásia. 114 deles estavam no Japão. Havia pelo menos 177 estações na Europa, e cerca de metade delas na Alemanha. Havia 44 estações acessíveis ao público nos Estados Unidos, 42 das quais localizadas na Califórnia.

Uma estação de abastecimento de hidrogênio custa entre US $ 1 milhão e US $ 4 milhões para ser construída.

Mercados e economia

Em 2012, as receitas da indústria de células de combustível ultrapassaram o valor de mercado de US $ 1 bilhão em todo o mundo, com os países do Pacífico Asiático enviando mais de 3/4 dos sistemas de células de combustível em todo o mundo. No entanto, a partir de janeiro de 2014, nenhuma empresa pública do setor havia se tornado lucrativa. Havia 140.000 pilhas de células de combustível enviadas globalmente em 2010, ante 11.000 remessas em 2007, e de 2011 a 2012 as remessas mundiais de células de combustível tiveram uma taxa de crescimento anual de 85%. Tanaka Kikinzoku expandiu suas instalações de fabricação em 2011. Aproximadamente 50% dos embarques de células de combustível em 2010 foram células de combustível estacionárias, acima de cerca de um terço em 2009, e os quatro produtores dominantes na indústria de células de combustível foram os Estados Unidos, Alemanha, Japão e Coreia do Sul. O Departamento de Energia Solid State Energy Conversion Alliance concluiu que, a partir de janeiro de 2011, as células de combustível estacionárias geravam energia de aproximadamente US $ 724 a US $ 775 por quilowatt instalado. Em 2011, a Bloom Energy, um grande fornecedor de células de combustível, disse que suas células de combustível geravam energia a 9-11 centavos de dólar por quilowatt-hora, incluindo o preço do combustível, manutenção e hardware.

Grupos da indústria prevêem que há recursos de platina suficientes para a demanda futura e, em 2007, a pesquisa do Laboratório Nacional de Brookhaven sugeriu que a platina poderia ser substituída por um revestimento de ouro- paládio , que pode ser menos suscetível a envenenamento e, assim, melhorar a vida útil da célula de combustível. Outro método usaria ferro e enxofre em vez de platina. Isso reduziria o custo de uma célula de combustível (já que a platina em uma célula de combustível normal custa cerca de US $ 1.500 , e a mesma quantidade de ferro custa apenas cerca de US $ 1,50 ). O conceito estava sendo desenvolvido por uma coalizão do John Innes Center e da University of Milan-Bicocca . Os cátodos PEDOT são imunes ao envenenamento por monóxido.

Em 2016, a Samsung "decidiu abandonar projetos de negócios relacionados a células de combustível, pois as perspectivas do mercado não são boas".

Pesquisa e desenvolvimento

• 2005: Pesquisadores do Georgia Institute of Technology usaram triazol para aumentar a temperatura operacional das células a combustível PEM de menos de 100 ° C para mais de 125 ° C, alegando que isso exigirá menos purificação de monóxido de carbono do combustível hidrogênio.
• 2008: Monash University , Melbourne usou PEDOT como um cátodo .
• 2009: Pesquisadores da University of Dayton , em Ohio, mostraram que arranjos de nanotubos de carbono crescidos verticalmente podem ser usados ​​como catalisador em células de combustível. No mesmo ano, um catalisador à base de bisdifosfina de níquel para células a combustível foi demonstrado.
• 2013: A empresa britânica ACAL Energy desenvolveu uma célula de combustível que pode funcionar por 10.000 horas em condições de condução simuladas. Afirmou que o custo de construção da célula de combustível pode ser reduzido para $ 40 / kW (cerca de $ 9.000 para 300 HP).
• 2014: Pesquisadores do Imperial College London desenvolveram um novo método para regeneração de PEFCs contaminados com sulfeto de hidrogênio. Eles recuperaram 95-100% do desempenho original de um PEFC contaminado com sulfeto de hidrogênio. Eles também tiveram sucesso em rejuvenescer um PEFC contaminado com SO ₂ . Este método de regeneração é aplicável a várias pilhas de células.

Veja também

Referências

Leitura adicional

• Vielstich, W .; et al., eds. (2009). Manual de células a combustível: avanços em eletrocatálise, materiais, diagnósticos e durabilidade . Hoboken: John Wiley and Sons.
• Gregor Hoogers (2003). Tecnologia de célula de combustível - manual . CRC Press.
• James Larminie; Andrew Dicks (2003). Fuel Cell Systems Explained (segunda edição). Hoboken: John Wiley and Sons.
• Subash C. Singhal; Kevin Kendall (2003). Células de combustível de óxido sólido de alta temperatura - fundamentos, design e aplicações . Elsevier Academic Press.
• Frano Barbir (2005). PEM Fuel Cells-Theory and Practice . Elsevier Academic Press.
• EG&G Technical Services, Inc. (2004). Fuel Cell Technology-Handbook, 7ª edição . Departamento de Energia dos EUA.
• Matthew M. Mench (2008). Motores de célula de combustível . Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.
• Noriko Hikosaka Behling (2012). Fuel Cells: Current Technology Challenges and Future Research Needs (First ed.). Elsevier Academic Press.

links externos

• Animação - como funciona uma célula de combustível
• Origens da célula de combustível: 1840-1890
• EERE: Programa de Tecnologias de Hidrogênio, Células Combustíveis e Infraestrutura
• Termodinâmica da eletrólise de células a combustível de água e hidrogênio
• Pacote de ensino e aprendizagem DoITPoMS: "Células de combustível"
• Aquecimento de água de célula de combustível de hidrogênio solar
• Tecnologia de célula de combustível - Uma para o futuro