Célula de combustível faça você mesmo em casa. Tecnologia de células de combustível e seu uso em automóveis

À luz dos recentes acontecimentos relacionados com o sobreaquecimento, incêndios e até explosões de computadores portáteis devido à avaria das baterias de iões de lítio, não podemos deixar de relembrar novas tecnologias alternativas que, segundo a maioria dos especialistas, poderão complementar ou substituir as baterias tradicionais em o futuro. Estamos falando de novas fontes de energia - células de combustível.

De acordo com a regra prática, formulada há 40 anos por um dos fundadores da Intel, Gordon Moore, o desempenho do processador dobra a cada 18 meses. As baterias não conseguem acompanhar os chips. Sua capacidade, segundo especialistas, aumenta apenas 10% ao ano.

A célula a combustível opera com base em uma membrana celular (porosa) que separa o espaço anódico e catódico da célula a combustível. Esta membrana é revestida em ambos os lados com catalisadores apropriados. O combustível é fornecido ao ânodo, neste caso é utilizada uma solução de metanol (álcool metílico). Como resultado da reação química de decomposição do combustível, são formadas cargas livres que penetram através da membrana até o cátodo. O circuito elétrico é assim fechado e uma corrente elétrica é criada nele para alimentar o dispositivo. Este tipo de célula de combustível é chamado de célula de combustível de metanol direto (DMFC). O desenvolvimento de células de combustível começou há muito tempo, mas os primeiros resultados, que deram motivo para falar de uma concorrência real com as baterias de íon-lítio, foram obtidos apenas nos últimos dois anos.

Em 2004, havia cerca de 35 fabricantes no mercado para esses dispositivos, mas apenas algumas empresas conseguiram declarar sucesso significativo nessa área. Em janeiro, a Fujitsu apresentou o seu desenvolvimento - a bateria tinha uma espessura de 15 mm e continha 300 mg de uma solução de metanol a 30%. A potência de 15 W permitiu que ela fornecesse o laptop por 8 horas. Um mês depois, uma pequena empresa, a PolyFuel, foi a primeira a anunciar a produção comercial das mesmas membranas com as quais as fontes de alimentação a combustível deveriam ser equipadas. E já em março, a Toshiba demonstrou um protótipo de PC móvel que funciona com combustível. O fabricante alegou que esse laptop pode durar até cinco vezes mais do que um laptop usando uma bateria tradicional.

Em 2005, a LG Chem anunciou a criação de sua célula de combustível. Cerca de 5 anos e 5 bilhões de dólares foram gastos em seu desenvolvimento. Como resultado, foi possível criar um dispositivo com potência de 25 W e peso de 1 kg, conectado a um laptop via interface USB e garantindo seu funcionamento por 10 horas. Este ano de 2006 também foi marcado por uma série de desenvolvimentos interessantes. Em particular, os desenvolvedores americanos da Ultracell demonstraram uma célula de combustível que fornece 25 W de potência e está equipada com três cartuchos substituíveis com 67% de metanol. É capaz de fornecer energia ao laptop por 24 horas. O peso da bateria era de cerca de um quilograma, cada cartucho pesava cerca de 260 gramas.

Além de serem capazes de fornecer mais capacidade do que as baterias de íon de lítio, as baterias de metanol não são explosivas. As desvantagens incluem seu custo bastante alto e a necessidade de trocar periodicamente os cartuchos de metanol.

Se as baterias de combustível não substituirem as tradicionais, provavelmente poderão ser usadas em conjunto com elas. Segundo especialistas, o mercado de células de combustível em 2006 será de cerca de 600 milhões de dólares, o que é um valor bastante modesto. No entanto, em 2010, os especialistas prevêem um aumento de três vezes - até 1,9 bilhão de dólares.

Discussão do artigo "As baterias de álcool substituem o lítio"

zemoneng

Porra, encontrei informações sobre este dispositivo em uma revista feminina.
Bem, deixe-me dizer algumas palavras sobre isso:
1: o inconveniente é que, após 6 a 10 horas de trabalho, você terá que procurar um novo cartucho e é caro. Por que eu iria gastar dinheiro com esse absurdo
2: pelo que entendi, após receber energia do álcool metílico, a água deve ser liberada. Um laptop e água são coisas incompatíveis.
3: por que você escreve em revistas femininas? A julgar pelos comentários "Não sei de nada" e "O que é isso?", este artigo não está ao nível de um site dedicado à BELEZA.

Eu insiro o encaixe da mangueira de enchimento no gargalo de abastecimento de combustível e giro meia volta para selar a conexão. Um clique no interruptor e o piscar do LED no posto de abastecimento com uma grande inscrição h3 indica que o reabastecimento começou. Um minuto - e o tanque está cheio, você pode ir!

Contornos elegantes da carroceria, suspensão ultrabaixa e slicks de baixo perfil dão uma verdadeira raça de corrida. Através da tampa transparente, você pode ver os meandros das tubulações e cabos. Em algum lugar eu já vi uma solução semelhante ... Ah sim, no Audi R8, o motor também é visível pela janela traseira. Mas na Audi é a gasolina tradicional, e este carro funciona com hidrogênio. Como o BMW Hydrogen 7, mas ao contrário deste último, não há motor de combustão interna aqui. As únicas partes móveis são a caixa de direção e o rotor do motor elétrico. E a energia para isso é fornecida por uma célula de combustível. Este carro foi lançado pela empresa de Singapura Horizon Fuel Cell Technologies, especializada no desenvolvimento e produção de células de combustível. Em 2009, a empresa britânica Riversimple já lançou um carro urbano movido a hidrogênio movido a células de combustível Horizon Fuel Cell Technologies. Foi desenvolvido em colaboração com as Universidades de Oxford e Cranfield. Mas Horizon H-racer 2.0 é um desenvolvimento solo.

A célula a combustível consiste em dois eletrodos porosos revestidos com uma camada de catalisador e separados por uma membrana de troca de prótons. O hidrogênio no catalisador do ânodo é convertido em prótons e elétrons, que através do ânodo e de um circuito elétrico externo chegam ao cátodo, onde o hidrogênio e o oxigênio se recombinam para formar água.

"Vai!" - no estilo Gagarin, o editor-chefe me cutuca com o cotovelo. Mas não tão rápido: primeiro você precisa “aquecer” a célula de combustível em carga parcial. Eu mudo a chave seletora para o modo de “aquecimento” (“aquecimento”) e aguardo o tempo previsto. Então, por via das dúvidas, eu encho o tanque até o fim. Agora vamos: a máquina, zumbindo suavemente com o motor, avança. A dinâmica é impressionante, embora, no entanto, o que mais esperar de um carro elétrico - o momento é constante em qualquer velocidade. Embora não por muito tempo - um tanque cheio de hidrogênio dura apenas alguns minutos (a Horizon promete lançar uma nova versão em um futuro próximo, na qual o hidrogênio não é armazenado como um gás pressurizado, mas é retido por um material poroso em um adsorvedor) . Sim, e é controlado, francamente, não muito bem - existem apenas dois botões no controle remoto. Mas, de qualquer forma, é uma pena que este seja apenas um brinquedo controlado por rádio que nos custou US $ 150. Nós não nos importaríamos de dirigir um carro de célula de combustível real como uma usina.

O tanque, um recipiente de borracha elástica dentro de uma carcaça rígida, estica ao reabastecer e funciona como uma bomba de combustível, "espremendo" o hidrogênio para dentro da célula de combustível. Para não "reencher" o tanque, uma das conexões é conectada com um tubo plástico a uma válvula de alívio de pressão de emergência.

Coluna de preenchimento

Faça Você Mesmo

O Horizon H-racer 2.0 vem como um kit SKD (faça você mesmo), você pode comprá-lo, por exemplo, na Amazon. No entanto, não é difícil montá-lo - basta colocar a célula de combustível no lugar e fixá-la com parafusos, conectar as mangueiras ao tanque de hidrogênio, célula de combustível, bocal de enchimento e válvula de emergência, e tudo o que resta é colocar a parte superior do corpo no lugar, sem esquecer os pára-choques dianteiro e traseiro. O kit vem com um posto de abastecimento que recebe hidrogênio por eletrólise da água. É alimentado por duas pilhas AA e, se você quiser que a energia seja completamente “limpa” - a partir de painéis solares (eles também estão incluídos).

www.popmech.ru

Como fazer uma célula de combustível com suas próprias mãos?

É claro que a solução mais simples para o problema de garantir o funcionamento contínuo de sistemas sem combustível é comprar uma fonte de energia secundária pronta em uma base hidráulica ou qualquer outra, mas neste caso certamente não será possível evitar custos adicionais, e neste processo é bastante difícil considerar qualquer ideia para o vôo do pensamento criativo. Além disso, fazer uma célula de combustível com suas próprias mãos não é tão difícil quanto você pode pensar à primeira vista e, se desejar, até o mestre mais inexperiente pode lidar com a tarefa. Além disso, um bônus mais do que agradável será o baixo custo de criação desse elemento, pois apesar de todos os seus benefícios e importância, será absolutamente seguro sobreviver com os meios improvisados disponíveis.

Ao mesmo tempo, a única nuance que deve ser levada em consideração antes de concluir a tarefa é que você pode criar um dispositivo de energia extremamente baixa com suas próprias mãos, e a implementação de instalações mais avançadas e complexas ainda deve ser deixada para especialistas qualificados . Quanto à ordem de trabalho e à sequência de ações, em primeiro lugar, o caso deve ser concluído, para o qual é melhor usar plexiglass de paredes grossas (pelo menos 5 centímetros). Para colar as paredes do gabinete e montar divisórias internas, para as quais é melhor usar plexiglass mais fino (3 milímetros é suficiente), é ideal usar cola de dois compostos, embora, se desejar, você possa fazer uma cola de alta qualidade solde-se usando as seguintes proporções: por 100 gramas de clorofórmio - 6 gramas de aparas do mesmo plexiglass.

Neste caso, o processo deve ser realizado exclusivamente sob o capô. Para equipar a caixa com o chamado sistema de drenagem, é necessário fazer cuidadosamente um furo passante em sua parede frontal, cujo diâmetro corresponda exatamente às dimensões da rolha de borracha, que serve como uma espécie de junta entre a caixa e o tubo de drenagem de vidro. Quanto às dimensões do próprio tubo, o ideal é prever sua largura igual a cinco ou seis milímetros, embora tudo dependa do tipo de estrutura a ser projetada. É mais provável que os potenciais leitores deste artigo fiquem um pouco surpresos com a antiga máscara de gás listada na lista de elementos necessários para fazer uma célula de combustível. Enquanto isso, todo o benefício desse aparelho está no carvão ativado localizado nos compartimentos de seu respirador, que mais tarde pode ser usado como eletrodos.

Como estamos falando de uma consistência em pó, para melhorar o design, você precisará de meias de nylon, das quais você pode facilmente fazer um saco e colocar carvão lá, caso contrário, ele simplesmente sairá do buraco. Quanto à função de distribuição, o combustível é concentrado na primeira câmara, enquanto o oxigênio necessário para o funcionamento normal da célula a combustível, ao contrário, circulará no último, quinto compartimento. O próprio eletrólito, localizado entre os eletrodos, deve ser impregnado com uma solução especial (gasolina com parafina na proporção de 125 a 2 mililitros), e isso deve ser feito antes mesmo que o eletrólito do ar seja colocado no quarto compartimento. Para garantir a condutividade adequada, placas de cobre com fios pré-soldados são colocadas em cima do carvão, através das quais a eletricidade será transmitida dos eletrodos.

Esta etapa do projeto pode ser considerada com segurança a final, após a qual o dispositivo acabado é carregado, para o qual é necessário um eletrólito. Para prepará-lo, é necessário misturar partes iguais de álcool etílico com água destilada e proceder à introdução gradual de potássio cáustico na proporção de 70 gramas por copo de líquido. O primeiro teste do dispositivo fabricado consiste no enchimento simultâneo do primeiro (líquido combustível) e do terceiro (eletrólito à base de álcool etílico e potassa cáustica) recipientes da carcaça de Plexiglas.

www.uznay-kak.ru

Células de combustível de hidrogénio | LAVENT

Por muito tempo eu queria falar sobre outra direção da empresa Alfaintek. Este é o desenvolvimento, venda e serviço de células de combustível de hidrogênio. Quero explicar imediatamente a situação dessas células de combustível na Rússia.

Devido ao custo bastante alto e à completa ausência de estações de hidrogênio para carregar essas células de combustível, elas não devem ser vendidas na Rússia. No entanto, na Europa, especialmente na Finlândia, essas células de combustível estão ganhando popularidade a cada ano. Qual é o segredo? Vamos ver. Este dispositivo é ecologicamente correto, fácil de operar e eficiente. Ele vem em socorro de uma pessoa onde ela precisa de energia elétrica. Você pode levá-lo na estrada, em uma caminhada, usá-lo no campo, no apartamento como fonte autônoma de eletricidade.

A eletricidade em uma célula de combustível é gerada pela reação química do hidrogênio de um cilindro com hidreto metálico e oxigênio do ar. O cilindro não é explosivo e pode ser guardado em seu armário por anos, esperando nas asas. Esta é, talvez, uma das principais vantagens desta tecnologia de armazenamento de hidrogénio. É o armazenamento de hidrogênio que é um dos principais problemas no desenvolvimento de combustível de hidrogênio. Novas células de combustível leves e exclusivas que convertem hidrogênio em eletricidade convencional de maneira segura, silenciosa e livre de emissões.

Este tipo de eletricidade pode ser usado em locais onde não há eletricidade central, ou como fonte de energia de emergência.

Ao contrário das baterias convencionais, que precisam ser carregadas e ao mesmo tempo desconectadas do consumidor de energia elétrica durante o processo de carregamento, a célula a combustível funciona como um dispositivo “inteligente”. Essa tecnologia fornece energia ininterrupta durante todo o período de uso devido à função exclusiva de manter a energia ao trocar o tanque de combustível, o que permite que o usuário nunca desligue o consumidor. Em uma caixa fechada, as células de combustível podem ser armazenadas por vários anos sem perder hidrogênio e reduzir sua potência.

A célula de combustível é projetada para cientistas e pesquisadores, policiais, salva-vidas, proprietários de navios e marinas e qualquer pessoa que precise de uma fonte de energia confiável em caso de emergência. Você pode obter uma voltagem de 12 volts ou 220 volts e então terá energia suficiente para usar uma TV, aparelho de som, geladeira, cafeteira, chaleira, aspirador de pó, furadeira, microfogão e outros aparelhos elétricos.

As células de combustível Hydrocell podem ser vendidas como uma única unidade ou como baterias de 2-4 células. Dois ou quatro elementos podem ser combinados para aumentar a potência ou aumentar a corrente.

TEMPO DE FUNCIONAMENTO DOS ELETRODOMÉSTICOS COM CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL

Aparelhos elétricos	Tempo de trabalho por dia (min.)	Contras potência por dia (W*h)	Tempo de operação com células de combustível
Aparelhos elétricos	Tempo de trabalho por dia (min.)	Contras potência por dia (W*h)
Chaleira elétrica
Máquina de café
Microplaca

Televisão
1 lâmpada 60W
1 lâmpada 75W
3 lâmpadas 60W
computador portátil
Frigorífico

Lâmpada que poupa energia

* - trabalho contínuo

As células de combustível são totalmente carregadas em estações especiais de hidrogênio. Mas e se você estiver viajando para longe deles e não houver como recarregar? Especialmente para esses casos, os especialistas da Alfaintek desenvolveram cilindros para armazenar hidrogênio, com os quais as células de combustível funcionarão por muito mais tempo.

São produzidos dois tipos de cilindros: NS-MN200 e NS-MN1200. O NS-MN200 montado tem um tamanho um pouco maior que uma lata de Coca-Cola, comporta 230 litros de hidrogênio, o que corresponde a 40Ah (12V), e pesa apenas 2,5 kg .Cilindro com hidreto metálico NS-MH1200 comporta 1200 litros de hidrogênio, o que corresponde a 220Ah (12V). O peso do cilindro é de 11 kg.

A técnica de hidreto de metal é uma maneira segura e fácil de armazenar, transportar e usar hidrogênio. Quando armazenado como um hidreto metálico, o hidrogênio está na forma de um composto químico e não na forma gasosa. Este método permite obter uma densidade de energia suficientemente elevada. A vantagem de usar hidreto metálico é que a pressão dentro do cilindro é de apenas 2 a 4 bar, o cilindro não é explosivo e pode ser armazenado por anos sem reduzir o volume da substância. Como o hidrogênio é armazenado como um hidreto metálico, a pureza do hidrogênio obtido do cilindro é muito alta, 99,999%. Cilindros de armazenamento de hidrogênio na forma de hidreto metálico podem ser usados não apenas com células de combustível HC 100.200.400, mas também em outros casos onde o hidrogênio puro é necessário. Os cilindros podem ser facilmente conectados a uma célula de combustível ou outro dispositivo com um conector de conexão rápida e mangueira flexível.

É uma pena que essas células de combustível não sejam vendidas na Rússia. Mas entre a nossa população há tantas pessoas que precisam deles. Bem, vamos esperar e ver, você olha e nós teremos. Enquanto isso, compraremos lâmpadas economizadoras de energia impostas pelo estado.

P.S. Parece que o tema finalmente caiu no esquecimento. Tantos anos depois que este artigo foi escrito, nada saiu. Talvez, é claro, eu não esteja procurando em todos os lugares, mas o que me chama a atenção não é nada agradável. A tecnologia e a ideia são boas, mas o desenvolvimento ainda não foi encontrado.

lavent.ru

A célula de combustível é o futuro que começa hoje!

O início do século XXI considera a ecologia como uma das tarefas mundiais mais importantes. E a primeira coisa que deve ser observada nas condições atuais é a busca e o uso de fontes alternativas de energia. São eles que são capazes de evitar a poluição do meio ambiente ao nosso redor, bem como abandonar completamente o custo continuamente crescente dos combustíveis à base de hidrocarbonetos.

Já hoje, fontes de energia como células solares e turbinas eólicas têm sido usadas. Mas, infelizmente, sua falta está associada à dependência do clima, bem como da estação e da hora do dia. Por esse motivo, seu uso nas indústrias astronáutica, aeronáutica e automotiva é gradualmente abandonado e, para uso estacionário, são equipados com fontes de energia secundárias - baterias.

No entanto, a melhor solução é uma célula de combustível, pois não requer recarga constante de energia. Trata-se de um dispositivo capaz de processar e converter diversos tipos de combustível (gasolina, álcool, hidrogênio, etc.) diretamente em energia elétrica.

A célula de combustível funciona de acordo com o seguinte princípio: o combustível é fornecido do lado de fora, que é oxidado pelo oxigênio, e a energia liberada neste caso é convertida em eletricidade. Este princípio de operação garante uma operação quase eterna.

A partir do final do século 19, os cientistas estudaram a célula de combustível diretamente e constantemente desenvolveram novas modificações. Então, hoje, dependendo das condições de operação, existem alcalinos ou alcalinos (AFC), borohidrato direto (DBFC), eletrogalvânico (EGFC), metanol direto (DMFC), zinco-ar (ZAFC), microbiano (MFC), modelos de ácido fórmico (DFAFC) e hidreto metálico (MHFC) também são conhecidos.

Uma das mais promissoras é a célula a combustível de hidrogênio. O uso de hidrogênio em usinas de energia é acompanhado por uma liberação significativa de energia, e a exaustão desse dispositivo é vapor de água puro ou água potável, que não representa nenhuma ameaça ao meio ambiente.

O teste bem sucedido de células de combustível deste tipo em naves espaciais recentemente despertou um interesse considerável entre os fabricantes de eletrônicos e vários equipamentos. Por exemplo, a PolyFuel introduziu uma célula de combustível de hidrogênio em miniatura para laptops. Mas o custo muito alto de tal dispositivo e a dificuldade em seu reabastecimento sem impedimentos limita a produção industrial e a ampla distribuição. A Honda também produz células de combustível automotivas há mais de 10 anos. No entanto, esse tipo de transporte não é comercializado, mas apenas para uso oficial dos funcionários da empresa. Os carros estão sob a supervisão de engenheiros.

Muitos estão se perguntando se é possível montar uma célula de combustível com suas próprias mãos. Afinal, uma vantagem significativa de um aparelho feito em casa será um pequeno investimento, ao contrário do modelo industrial. Para um modelo em miniatura, você precisará de 30 cm de fio de níquel banhado a platina, um pequeno pedaço de plástico ou madeira, um clipe para uma bateria de 9 volts e a própria bateria, fita adesiva transparente, um copo de água e um voltímetro. Tal dispositivo permitirá que você veja e entenda a essência do trabalho, mas, é claro, não funcionará para gerar eletricidade para o carro.

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Células a combustível de hidrogênio: um pouco de história | Hidrogênio

Em nosso tempo, o problema da escassez de recursos energéticos tradicionais e a deterioração da ecologia do planeta como um todo devido ao seu uso é especialmente agudo. É por isso que, nos últimos anos, recursos financeiros e intelectuais significativos foram gastos no desenvolvimento de substitutos potencialmente promissores para combustíveis de hidrocarbonetos. O hidrogênio pode se tornar um substituto em um futuro muito próximo, pois seu uso em usinas elétricas é acompanhado pela liberação de grande quantidade de energia, e os escapamentos são vapor d'água, ou seja, não representam perigo ao meio ambiente.

Apesar de algumas dificuldades técnicas ainda existentes na introdução de células de combustível baseadas em hidrogênio, muitos fabricantes de automóveis apreciaram a promessa da tecnologia e já estão desenvolvendo ativamente protótipos de veículos produzidos em massa capazes de usar hidrogênio como combustível principal. Em 2011, a Daimler AG introduziu modelos conceituais da Mercedes-Benz com usinas de energia a hidrogênio. Além disso, a empresa coreana Hyndayi anunciou oficialmente que não pretende mais desenvolver carros elétricos e concentrará todos os esforços no desenvolvimento de um carro a hidrogênio acessível.

Embora a ideia de usar o hidrogênio como combustível não seja selvagem para muitos, a maioria não entende como as células a combustível de hidrogênio funcionam e o que há de tão notável nelas.

Para entender a importância da tecnologia, sugerimos recorrer à história das células a combustível de hidrogênio.

A primeira pessoa a descrever o potencial do uso de hidrogênio em uma célula de combustível foi Christian Friedrich, um alemão. Em 1838, ele publicou seu trabalho em uma conhecida revista científica da época.

No ano seguinte, um juiz de Ouls, Sir William Robert Grove, criou um protótipo de uma bateria de hidrogênio viável. No entanto, o poder do dispositivo era muito pequeno, mesmo para os padrões da época, então não havia dúvida de seu uso prático.

Quanto ao termo "célula a combustível", ele deve sua existência aos cientistas Ludwig Mond e Charles Langer, que em 1889 tentaram criar uma célula a combustível operando com ar e gás de coqueria. Segundo outros, o termo foi usado pela primeira vez por William White Jaques, que primeiro decidiu usar ácido fosfórico no eletrólito.

Na década de 1920, vários estudos foram realizados na Alemanha, cujo resultado foi a descoberta de células a combustível de óxido sólido e formas de utilização do ciclo do carbonato. Vale ressaltar que essas tecnologias são efetivamente utilizadas em nosso tempo.

Em 1932, o engenheiro Francis T Bacon começou a trabalhar no estudo de células de combustível diretamente baseadas em hidrogênio. Antes dele, os cientistas usaram um esquema estabelecido - eletrodos de platina porosos foram colocados em ácido sulfúrico. A desvantagem óbvia de tal esquema reside, em primeiro lugar, em seu alto custo injustificado devido ao uso da platina. Além disso, o uso de ácido sulfúrico cáustico representava uma ameaça à saúde e às vezes à vida dos pesquisadores. Bacon decidiu otimizar o circuito e substituiu a platina por níquel, e usou uma composição alcalina como eletrólito.

Graças ao trabalho produtivo para aprimorar sua tecnologia, Bacon já em 1959 apresentou ao público em geral sua célula a combustível de hidrogênio original, que produzia 5 kW e podia alimentar uma máquina de solda. Ele chamou o dispositivo apresentado de "Bacon Cell".

Em outubro do mesmo ano, foi criado um trator único que funcionava com hidrogênio e produzia vinte cavalos de potência.

Nos anos sessenta do século XX, a empresa americana General Electric, o esquema desenvolvido por Bacon, foi aprimorado e aplicado aos programas espaciais Apollo e NASA Gemini. Especialistas da NASA chegaram à conclusão de que o uso de um reator nuclear é muito caro, tecnicamente difícil e inseguro. Além disso, foi necessário abandonar o uso de baterias com painéis solares devido às suas grandes dimensões. A solução para o problema foram as células de combustível de hidrogênio, que são capazes de fornecer energia à espaçonave e à sua tripulação com água limpa.

O primeiro ônibus usando hidrogênio como combustível foi construído em 1993. E protótipos de carros de passeio movidos a células de combustível de hidrogênio já foram apresentados em 1997 por marcas automotivas globais como Toyota e Daimler Benz.

É um pouco estranho que um combustível promissor e ecologicamente correto, implementado há quinze anos em um carro, ainda não tenha se difundido. Há muitas razões para isso, sendo as principais, talvez, políticas e rigor na criação de uma infra-estrutura adequada. Vamos torcer para que o hidrogênio ainda tenha voz e seja um concorrente significativo dos carros elétricos. (odnaknopka)

energycraft.org

Criado em 14.07.2012 20:44 Autor: Alexey Norkin

Nossa sociedade material sem energia não pode não apenas se desenvolver, mas até mesmo existir em geral. De onde vem a energia? Até pouco tempo atrás, as pessoas usavam apenas uma maneira de obtê-lo, lutávamos com a natureza, queimando os troféus extraídos nas fornalhas, primeiro em casa, depois em locomotivas a vapor e usinas termelétricas potentes.

Não há rótulos nos quilowatts-hora consumidos por um leigo moderno que indique quantos anos a natureza trabalhou para que uma pessoa civilizada pudesse usufruir dos benefícios da tecnologia e quantos anos ela ainda tem que trabalhar para mitigar os danos causados à ela por tal civilização. No entanto, está amadurecendo na sociedade o entendimento de que mais cedo ou mais tarde o idílio ilusório terminará. Cada vez mais, as pessoas estão inventando maneiras de fornecer energia para suas necessidades com danos mínimos à natureza.

As células de combustível de hidrogênio são o santo graal da energia limpa. Eles processam o hidrogênio, um dos elementos comuns da tabela periódica, e emitem apenas água, a substância mais comum do planeta. O quadro róseo é prejudicado pela falta de acesso das pessoas ao hidrogênio como substância. Há muito, mas apenas em estado ligado, e é muito mais difícil extraí-lo do que bombear petróleo das entranhas ou extrair carvão.

Uma das opções para a produção de hidrogênio limpa e ecologicamente correta são as células de combustível microbianas (MTBs), que utilizam microrganismos para decompor a água em oxigênio e hidrogênio. Aqui, também, nem tudo é suave. Os micróbios fazem um excelente trabalho na produção de combustível limpo, mas para atingir a eficiência exigida na prática, o MTB precisa de um catalisador que acelere uma das reações químicas do processo.

Este catalisador é o metal precioso platina, cujo custo torna o uso do MTB economicamente injustificado e praticamente impossível.

Cientistas da Universidade de Wisconsin-Milwaukee encontraram um substituto para um catalisador caro. Em vez de platina, eles propuseram o uso de nanobastões baratos feitos de uma combinação de carbono, nitrogênio e ferro. O novo catalisador consiste em hastes de grafite com nitrogênio introduzido na camada superficial e núcleos de carboneto de ferro. Durante os três meses de testes da novidade, o catalisador demonstrou capacidades superiores às da platina. A operação dos nanobastões acabou sendo mais estável e controlável.

E o mais importante, a ideia de cientistas universitários é muito mais barata. Assim, o custo dos catalisadores de platina é de aproximadamente 60% do custo do MTB, enquanto o custo dos nanobastões é de 5% do seu preço atual.

De acordo com o criador dos nanobastões catalíticos, professor Yuhong Chen (Junhong Chen): “As células de combustível são capazes de converter diretamente combustível em eletricidade. Junto com eles, a eletricidade de fontes renováveis pode ser entregue onde for necessária, que seja limpa, eficiente e sustentável.”

Agora o professor Chen e sua equipe de pesquisadores estão ocupados estudando as características exatas do catalisador. Seu objetivo é dar à sua invenção um foco prático, para torná-la adequada para produção e uso em massa.

De acordo com a Gizmag

www.facepla.net

Células de combustível de hidrogênio e sistemas de energia

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

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

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

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

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

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

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

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

www.tesla-tehnika.biz

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

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

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

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

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

Células/células de combustível (hidrogênio)

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

Uma célula de combustível/célula é

Benefícios das células de combustível/células

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

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

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

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

História do desenvolvimento de células de combustível/células

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

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

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

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

Como funcionam as células/células de combustível

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

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

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

Abaixo está a reação correspondente:

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

Tipos e variedade de células/células de combustível

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

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

Células de combustível/células em carbonato fundido (MCFC)

As células de combustível de eletrólito de carbonato fundido são células de combustível de alta temperatura. A alta temperatura de operação permite o uso direto de gás natural sem processador de combustível e gás combustível com baixo valor calórico combustível processos de produção e de outras fontes.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Células/células de combustível de óxido sólido (SOFC)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

A vantagem desse tipo de célula a combustível são suas pequenas dimensões, devido ao uso de combustível líquido, e a ausência da necessidade de uso de conversor.

Células/células de combustível alcalinas (AFC)

As células de combustível alcalinas estão entre as células mais eficientes usadas para gerar eletricidade, com eficiência de geração de energia chegando a 70%.

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

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

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

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

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

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

Células/células de combustível de ácido sólido (SCFC)

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

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

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

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

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

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

Aplicações de célula de combustível/célula

Aplicação de células de combustível em sistemas de telecomunicações

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Aplicação de células a combustível em redes de comunicação

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

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

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

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

Aplicação de células a combustível em redes de dados

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

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

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

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

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

A tecnologia de combustível líquido resolve o problema de armazenamento de hidrogênio e fornece energia de reserva praticamente ilimitada.
Graças à sua operação silenciosa, baixo peso, resistência a mudanças de temperatura e operação praticamente livre de vibrações, as células de combustível podem ser instaladas ao ar livre, em instalações/contêineres industriais ou em telhados.
Os preparativos para o uso do sistema no local são rápidos e econômicos, e o custo de operação é baixo.
O combustível é biodegradável e representa uma solução ecologicamente correta para o meio urbano.

Aplicação de células a combustível em sistemas de segurança

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

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

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

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

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

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

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

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

Aplicação de células a combustível em redes de distribuição

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Os principais componentes de uma célula de combustível são:

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

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

História da criação

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

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

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

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

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

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

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

Células de combustível com membranas de troca de hidróxido

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

Procurar novos catalisadores

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

Vantagens das células de combustível

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

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

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

Complexidade do armazenamento de hidrogênio

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

Perspectivas da região

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

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

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

Processos químicos em uma célula de combustível

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

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

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

Célula de combustível separada

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

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

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

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

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

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

Chassi de Veículo Hy Wire

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Descrição:

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

Usando células de combustível para alimentar edifícios

Parte 1

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

Introdução

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

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

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

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

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

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

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

Vantagens e desvantagens das células de combustível

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

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

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

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

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

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

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

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

História e usos modernos de células de combustível

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

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

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

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

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

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

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

tabela 1
Escopo das células de combustível

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

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

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

O princípio de funcionamento das células de combustível

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

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

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

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

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

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

Então, como resultado da quimissorção na presença de um catalisador, os átomos de hidrogênio, cada um doando um elétron e -, se transformam em íons de hidrogênio carregados positivamente H +, ou seja, prótons (Fig. 7).

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

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

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

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

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

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

Dispositivo de célula de combustível

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

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

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

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

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

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

(reação endotérmica, com absorção de calor);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

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

A reação global é expressa pela equação:

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

(reação endotérmica, com absorção de calor).

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

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

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

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

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

Tipos de células de combustível

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

mesa 2
Tipos de células de combustível

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

Células Combustíveis de Ácido Fosfórico (PAFC)

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

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

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

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

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

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

Células de combustível de carbonato fundido (MCFC)

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

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

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

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

Células de combustível de óxido de estado sólido (SOFC)

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

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

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

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

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

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

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