17-CelulaCombustivel

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CÉLULAS COMBUSTÍVEL
Prof. Paulo Cesar C. Pinheiro
Dept. Engenharia Mecânica da UFMG
Junho 2012
Célula Combustível
• É um conversor de potência, que combina um combustível (H2 ou
gás natural) com o O2 por meio de um processo eletroquímico,
gerando eletricidade.
• Aspectos positivos:
• Elevada razão potência/peso, não poluente, tamanho pequeno,
operação silenciosa, alta confiabilidade (não há partes móveis).
• Eficiência 50-70% (Eficiência teórica: 100 %)
• Entrada em operação rápida
• Modularidade (mW a MW)
• Possibilidade de cogeração (eletricidade/calor εreal: 80-85%)
• Aspectos negativos (atuais):
• Custo (US$3 a 4 mil/ kW)
• Dúvidas quanto a durabilidade
• De onde e como obter o H2 (Metanol, gasolina)
Vantagens e Desvantagens das Células
Vantagens
1. Maior eficiência comparada com os motores CI
2. Emissão zero no ponto de uso
3. Sem partes móveis, silenciosa
Desafios
1. Custo (materiais, trabalho, economia de escala)
2. Durabilidade (membrana, catalisador)
3. Falta de infraestrutura de H2: H2 é difícil de produzir,
transportar e armazenar
Ciclo do Hidrogênio
As tecnologias de Hidrogênio permitem armazenar energia das fontes
primárias e equilibrar a defasagem entre geração e consumo
O Que é Uma Célula Combustível
Fuel Cell
Hidrogênio Oxigênio
Água
Eletricidade
Calor
• A célula combustível é formada por um conjunto de placas de eletrodos,
normalmente de grafite, que, em forma de sanduíche, agrupa também,
entre as placas, uma membrana polimérica chamada de Membrana de
Troca de Prótons (PEM, em inglês). Ao passar por ela, as moléculas de
hidrogênio (H2) são quebradas e os elétrons são liberados, gerando
eletricidade. A célula combustível é silenciosa, não possui partes
móveis e produz emissão zero.
O Que é Uma Célula Combustível
A célula a combustível converte a energia química de um combustível diretamente em
eletricidade e calor. Basicamente: H2 + ½ O2Æ H2O
História
• 1839 Sir William Grove – Dispositivo eletroquímico H2/O2 para
produzir eletricidade
• 1950s Thomas Bacon – Pilha de Células Combustíveis
• 1950s-hoje – Células combustível no programa espacial (alkalina)
• 1960s - outras células descobertas: ácido fosfórico, SOFC,
carbonato fundido, PEMFC
• 1970s – primeira aplicação de geração estacionária
• 1990-2010 – transporte e outras aplicações em desenvolvimento
• 2006 – Venda comercial para backup de sistemas de comunicação
Vantagens: Eficiência, Potência, Energia
Fuel Cells with Hydrocarbon Fuels
Steam and
Gas Turbines
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Fuel Cells with Hydrogen Fuel70
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1 W 100 W 1 kW 10 kW 100 kW 1MW 10 MW 100 MW 1 GW10 W
Portable
Electronics
Computers
Light Bulbs
Hair Dryer
Apartments
Stove
Auxiliary Power
Units, Houses
Hotels, Cars
Trucks
Nuclear
Power Plant
Wind Power
Ships, Airplanes
Coal-fired
Power Plant
3 dias
Duração Baterias Células
Combustível Portatil
10 dias
3 horas
0.06 kg comb
0.75 kg comb
1.6 kg comb
1 kg
9 kg
30 kg
• Baixa Poluição (NOx, SOx, CO)
– Baixa temperatura e pressão de operação, maior eficiência,
remoção de enxofre
• Baixa Emissão de Ruídos
– Poucas partes móveis
• Diversidade de Aplicações
– Substituição de baterias a plantas elétricas
• Vantagens adicionais
– Alta confiabilidade - Poucas peças móveis.
– 2 a 3 vezes mais eficiente que um motor de combustão interna
– Maior densidade energética que baterias de tamanho similar
– Geração distribuída, diminuindo perdas na rede
– Qualidade energética
Benefícios Adicionais Tipos de Células Combustíveis
Os vários tipos de Célula possuem a mesma configuração básica: um
eletrólito e 2 eletrodos. As células são classificadas pelo tipo de eletrólito
utilizado.
Tipos de Células Combustíveis
2 a 56070ALCALINA
10080060 +ÓXIDO SÓLIDO
2.00065060 +CARBONATO
FUNDIDO
20020040 A 50ÁCIDO
FOSFÓRICO
508040 A 50MEMBRANA DE
TROCA
PROTÔNICA
TAMANHO DA
UNIDADE
(kW)
TEMPERATURA
OPERAÇÃO (0C)
EFICIÊNCIA
(%)
TIPOS
Tipos de Células Combustíveis
Tipos de células a combustível
• PEMFC- Célula a combustível de membrana polimérica
• PAFC- Célula a combustível de ácido fosfórico
• MCFC- Célula a combustível de carbonato fundido
• SOFC- Célula a combustível de óxido sólido
Tipos de Células Combustíveis Comparação com Outros Conversores
Voltagem = 0,6 V
PEM fuel
cell
Reação do Cátodo
O2 + 4H+ + 4e- Æ 2H2O
Ar
Anodo
Catodo
e-
Membrana
Eletrolítica
Camada de
Difusão de Gás
Camada de
Difusão de Gás
H2
Placa
Bipolar
Placa
Bipolar
Carga
H+
Reação do Ânodo
2H2 Æ 4H+ + 4e-
NIST
Platinum
Catalyst
Carbon
black
Proton Exchange Membrane (PEM)
- Usa uma membrana polimérica como
eletrólito
- Opera a temperatura relativamente baixa,
cerca 80°C
- Tem alta densidade energética, e pode variar
sua potência rapidamente, o que a torna
desejável em aplicações onde é necessário
uma partida rápida (automóveis).
- Sensível a impurezas do combustível
Metanol Direto (sub classe PEM)
- Eficiência estimada de 40% além de baixa
temperatura de operação, entre 50-90°C
- Também usa uma membrana polimérica como
eletrólito.
- Diferente das PEM porque o catalisador do ânodo
é capaz de gerar hidrogênio do metanol sem um
reformador.
- Usada para pequenas aplicações de potência,
possivelmente celulares e laptops
Ácido Fosfórico
- Célula combustível mais desenvolvida
comercialmente.
- Eficiência maior que 40%
- Cerca de 85% do vapor produzido
pode ser utilizado para cogeração.
- Usa ácido fosfórico líquido como
eletrólito e opera a cerca de 220°C.
- Uma das principais vantagens é que
pode utilizar hidrogênio impuro como
combustível.
- Promessa de alto rendimento e
possibilidade de utilizar combustíveis obtidos
do carvão.
- Usa um eletrólito composto de uma mistura
de carbonatos fundidos.
- Requer CO2 e O2
- Opera a temperaturas altas 650ºC
- Principal objetivo, plantas elétricas
- Tem sido operada com H2, CO, gás natural,
gás de aterro, diesel marinho e produtos de
gaseificação de carvão.
- Devido a alta temperatura podem ser
utilizados metais não preciosos como
catalisador, o que diminui o custo.
- Desvantagem a durabilidade.
- A alta temperatura necessária e o eletrólito
corrosivo acelera o desgaste da célula.
Carbonato Fundido Óxido Sólido
- Usa um composto cerâmico não poroso
como eletrólito.
- Pode atingir rendimento 60%.
- Opera a temperaturas altas 950°C.
- Utilizada principalmente para aplicações
grandes, de alto consumo tais como
geração industrial, principalmente devido as
altas temperaturas
Alkalina
- Usada principalmente em programas
militares e espaciais.
- Pode atingir rendimento 70%, mas
considerada cara para aplicações de
transporte.
-Usada na no foguete Apollo para gerar
eletricidade e água potável.
-Pode usar uma variedade de metais não
preciosos como catalisador no anodo e
catodo
- Usa uma solução de Hidróxido de potássio
em água como eletrólito e opera entre 25 -
70°C
- Requer hidrogênio e oxigênio puros, porque
é muito susceptível a contaminação de
carbono
- O processo de purificação do hidrogênio e
do oxigênio é caro
Regenerativa
- Atualmente pesquisada pela NASA.
- Este tipo envolve um circuito fechado para a
geração de eletricidade.
- Usa energia solar para separar água em
hidrogênio e oxigênio.
- Hidrogênio e oxigênio são alimentados à
célula para gerar eletricidade, calor e água.
- A água subproduto é recirculada de volta ao
eletrolisador recomeçando o processo.
- Para que tanta complicação? Por que a
célula a hidrogênio pode funcionar como um
armazenador de energia, muito mais eficiente
doque as mais modernas baterias
recarregáveis.
Biocélula
Sony – 2007: 0,8 V, 1,5 mW/cm2
USOS:
- Geração direta de eletricidade a partir do Caldo de Cana
- Geração de energia a partir de esgotos
- A miniaturização permitiria a instalação dessas células no organismo
humano, utilizando a glicose do sangue como combustível: bateria de marca-
passo, liberar medicamentos no organismo,detectar níveis de glicose
Oliveira, Marcos de. Caldo de Cana em Biocélulas. Pesquisa fapesp, n.182, p.72-75, Abril de 2011
• Cada célula combustível opera
entre 0,3 - 0,9V
• Potência é aumentada por 2
meios:
– Aumento da voltagem por
ligação em série (como
baterias)
– Aumento da corrente pelo
aumento da área efetiva
Pilhas
Curva de Polarização (I-V)
Isto é fundamental para a medida do desempenho da célula
Maiores Desafios
• Durabilidade
– Desejável 5-50 Anos
– Partida rápida
– Uso de Combustíveis Reais (impuros)
• Densidade Energética
– Muito grande (volume) e muito pesada
• Custo
– Baixo volume de produção
– Materiais Caros
Sistema Completo Células Combustíveis para Geração Estacionária
UTC Fuel Cells: (PureCell™ 200) Gerador de 200kW
de eletricidade e 900,000 BTUs de calor. Este
sistema produz energia para a delegacia de polícia de
Nova York, para a maior agencia postal do Alaska,
uma empresa de processamento de cartão de
créditos no Nebraska e um Centro de Ciências no
Japão.
UTC Fuel Cells:
Geradores de 5kW
para backup de torres
de comunicação,
pequenas empresas
e uso doméstico.
Montagem Célula Combustível PEM
Montagem com 10 Células
NMSEA
NREL
3kW, 48V
fuelcellstore.com
Componentes de Célula Combustível Veicular
•Pilha de células
combustível
•Sistemas Auxiliares:
compressor de ar,
bomba de recirculação
de hidrogênio,
umidificadores de
hidrogênio e ar, bomba
de refrigeração e
radiador
•Tanque de
armazenamento de
hidrogênio
•Bateria para operação
híbrida
•Controlador e inversor
•Motor de tração e
transmissão
•Computador para
controle
Requerimentos para FCHEV
Para ser competitiva com os sistemas de Combustão interna
convencionais, em termos de dirigibilidade e desempenho os sistemas
de célula combustível devem satisfazer os seguintes requisitos:
• A célula combustível deve suprir as demandas de potência do veículo
sob todas as condições de operação: Velocidade máxima de 150 km/h e
80km/m em subida de 6.5% durante 20 min.
•Com assistência de baterias deve atingir 0 a 100 km;h em 10 s.
• Tempo de resposta de 1 s para transiente de 10–90% da potência.
•Deve atingir potência máxima em 15 s para partida a frio com
temperatura ambiente de 20 ◦C, e em 30 s para temperatura −20 ◦C .
Veículos Híbridos Paralelo e Série
Híbrido em Série:
•Pequena célula combustível e
grande banco de baterias
•A bateria aciona o motor todo o
tempo.
•A célula combustível opera
continuamente e mantém a bateria
carregada.
•A célula não produz a potência toda.
Híbrido Paralelo:
•Grande célula combustível e
pequeno banco de bateiras
•A célula combustível aciona o
motor todo o tempo
•A bateria produz potência
adicional quando necessária
Célula Combustível Automotiva PEM
Honda FCX Clarity
GM’s skateboard
chassis idea.
Honda FCX ClarityHonda FCX Clarity
Nova membrana de eletrólito C-H
com grupos sulfatando
Placas separadoras de metal
estampado (menor resistência de
contato (1/4) e peso (<20%) que as
placas de carbono convencionais
Célula combustível: 50 kW
Peso: 48 kg
Autonomia: 430 km (H2 a 350 bar)
Armazenamento H2: 4,1 kg a 5000 psi
Peso: 1670 kg
Motor: 100 kW
Velocidade Maxima: 150 km/h
Programa “Cute” de Ônibus Híbridos
 Na Europa, desde 2004, o projeto Clean
Urban Transport for Europe (Cute),
financiado pela União Européia, permitiu que
38 ônibus Citaro movidos a hidrogênio
circulassem por nove cidades como
Londres, Madri, Barcelona, Amsterdã,
Hamburgo, Stuttgart, Luxemburgo, Porto e
Estocolmo. Outros três projetos foram
realizados em Reykjavik, na Islândia,
Pequim, na China, e em Perth, na Austrália.
Ao todo foram utilizados 47 ônibus.
Estação de
abasteciment
o de H2 da
Air Liquide
Mercedes-Benz: Onibus Citaro com célula
combustível Ballard em uso em Londres.
European Fuel Cell Bus Project. 30 ônibus
a célula combustível em operação na
Europa nos últimos anos.
Toyota: FCHV-BUS2
Uma vez que a exaustão é
livre de NOx e PM, ele
ajuda a melhorar a
qualidade do ar nas áreas
urbanas
Ônibus Brasileiro
Brasil é o maior produtor de ônibus do mundo
[2008 produção 44.111, 27.948 exportados]
Ônibus Marcopolo Gran Viale 12,5 m
comprimento 63 passageiros sentados
2 Células Ballard 68 kW cada
81 x 25 x 30 cm
3 baterias níquel-sódio [MSDea]
9 cilindros de aço inox de parede espessa
5 kg de gás a pressão 300 bar (cada)
Pronto em julho de 2008
Inicio operação Maio 2009
EMTU São Paulo - 250 km/dia
Ônibus Brasileiro
Hidrogênio produzido por eletrólise da água, em uma unidade Hydrogenics
Pesquisa Fapesp, n.160, jun 2009, p.66-71
Esquema Elétrico para FCHEV
R.K. Ahluwalia et al. / Journal of Power Sources 152 (2005) 233–244
Esquema de FCS de Hidrogênio Pressurizado
R.K. Ahluwalia et al. / Journal of Power Sources 152 (2005) 233–244
Fluxo de Energia Para FCHEV
Energy flow within the components of FCHEV for FUDS: FCHEV with 65kWe FCS and
55kWe ESS. R.K. Ahluwalia et al. / Journal of Power Sources 152 (2005) 233–244
Menor Célula Combustível (2011)
Universidade de Illinois em Urbana-Champaigne
3x3x1mm
0,7 volt, 0,1 miliampere durante 30 horas
A célula é composta por apenas quatro componentes. Uma
fina membrana separa um reservatório de água de um
compartimento localizado abaixo, que contém um hidreto
metálico. Ainda mais abaixo estão montados os eletrodos.
Minúsculos furos na membrana fazem com que as moléculas
de água atinjam o compartimento adjacente na forma de
vapor. Uma vez lá, o vapor reage com o hidreto metálico para
formar hidrogênio. O gás preenche o compartimento e
empurra a membrana para cima, bloqueando a água.
O hidrogênio é gradualmente esgotado à medida que reage
com os eletrodos para criar um fluxo de eletricidade. Quando
a pressão do hidrogênio cai, mais água pode entrar para
manter o processo.
Produção do Hidrogênio
Eletrolise:
- Produção de hidrogênio a partir de
eletricidade.
- 6,5 kWh/Nm3 (70% eficiência)
Reforma do Metano:
- Este método envolve usar vapor a alta
temperatura para extrair o hidrogênio do gás
natural. É produzido tanto hidrogênio e CO2.
- Cerca de 95% do hidrogênio produzido no
mundo é a partir deste método.
Produção do Hidrogênio
Reforma de hidrocarbonetos:
Basicamente- CnHm + nH2O ⇔ H2 + nCO
- Reforma vapor de gás natural (350 - 400ºC)
 28 Nm3 H2 / 15 Nm3 CH4 (55% de eficiência)
- Reforma vapor de etanol (600ºC)
- Reforma vapor de metanol (260ºC)
- Reforma vapor de gasolina (900ºC)
- Reforma vapor do gás de gaseificação bagaço de cana
Produção do Hidrogênio
• A reforma vapor é o método mais comum de se produzir gases ricos em
hidrogênio. É uma conversão endotérmica e catalítica com hidrocarbonetos
leves e vapor d’água. A reforma a vapor do metano (maior constituinte do
gás natural) é o método mais barato de produzir hidrogênio;
aproximadamente 48% da produção mundial de hidrogênio é produzida a
partir deste processo.
• A reforma vapor do metano resulta em 64% de H2; 16,3% de CO2; 17,8%
de H2O e 1,8% de N2.
• Após a reforma o gás é direcionado para a conversão exotérmica catalítica
(reação de shift) do monóxido de carbono resultante produz hidrogênio
puro de acordo com:
• CO + H2O ⇔ CO2 + H2
Produção do Hidrogênio
Custos de Produção do Hidrogênio
Reforma de gás natural US$ 7-11/GJ
Biomassa US$ 10-18/GJ
Gaseificação de Carvão US$ 8-11/GJ
Nuclear US$ 9-12/GJ
H2 Eletrolítico US$ 14/GJ
H2 Eletrolítico (solar) US$ 27-50/GJ
H2 Eletrolítico (eólico) US$ 17-30/GJ
Custos adicionais: compressão, armazenamento,
transporte distribuição: US$ 6-8/GJ
Custo Gasolina US$ 9-12/GJ
Armazenamento do Hidrogênio
O hidrogênio pode ser armazenado com gás, líquido ou composto
químico.
Gás a alta Pressão (P ~ 200 atm)
Recipientesde Aço
0,6 kWh/L (a 170 atm)
Recipientes de alumínio reforçados com fibras de carbono.
Maior relação massa H2/peso recipiente (4x que os de aço)
Gás a alta Pressão (P ~ 450 atm)
Recipientes de materiais compostos
reforçados com fibras de carbono
Tanque de hidrogênio
comprimido
Armazenamento do Hidrogênio
• Estado gasoso
 Em cilindros em torno de 150 atm (6,4 Nm3/570 g)
 Em gasômetros com pressão pouco superior à atmosférica,
armazenando em 1 m3 aprox. 1 m3 e 89 g. Energia necessária resp.
 (2,4 kWh/kg e 0,05 kWh/kg)
• Estado líquido
 Temperatura de -235ºC, (10-13 kWh/kg)
• Hidretos metálicos
 Composto metálico capaz de armazenar hidrogênio e liberá-lo sob
aquecimento. FeTiHx, LaNiHx
 (4,1 kWh/kg)
Armazenamento do Hidrogênio
Líquido (T<-253ºC)
O processo de liquefação e manutenção consome 35-40% da energia
do hidrogênio
2,4 kWh/L
Estruturas Sólidas
Hidretos Metálicos, nanotubos de carbono
3,3 kWh/L (LaNi)
Tanque de hidrogênio
líquido
Hidretos metálicos
Nanotubos de carbono
Células Combustíveis para Geração Portátil
Casio: Menor célula combustível para
uso em laptop PC. A Célula PEM
pode gerar eletricidade para um laptop
típico por 8 a 16 horas.
Samsung Electronics: Célula combustível de 100Wh para laptop PC usando
100cc de solução de metanol, permitindo um uso contínuo de 10 h sem recarga.
Bibliografia
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