Célula de combustível
Célula de combustível , qualquer um de uma classe de dispositivos que convertem a energia química de um combustível diretamente em eletricidade por reações eletroquímicas. Uma célula de combustível se assemelha a uma bateria em muitos aspectos, mas pode fornecer energia elétrica por um período de tempo muito mais longo. Isso ocorre porque uma célula de combustível é continuamente alimentada com combustível e ar (ou oxigênio) de uma fonte externa, enquanto uma bateria contém apenas uma quantidade limitada de material combustível e oxidante que se esgota com o uso. Por essa razão, as células de combustível têm sido usadas há décadas em sondas espaciais, satélites e espaçonaves tripuladas. Em todo o mundo, milhares de sistemas de células de combustível estacionários foram instalados em usinas de energia elétrica, hospitais, escolas, hotéis e prédios de escritórios para energia primária e reserva; muitas estações de tratamento de resíduos usam células de combustível tecnologia para gerar energia a partir do gás metano produzido pela decomposição do lixo. Vários municípios no Japão, Europa e Estados Unidos alugam veículos de célula de combustível para transporte público e para uso pelo pessoal de serviço. Os veículos pessoais com célula de combustível foram vendidos pela primeira vez na Alemanha em 2004.
Célula de combustível PEM: vista em corte Célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEM) A membrana de troca de prótons é um dos designs de célula de combustível mais avançados. O gás hidrogênio sob pressão é forçado através de um catalisador, normalmente feito de platina, no lado do ânodo (negativo) da célula de combustível. Nesse catalisador, os elétrons são retirados dos átomos de hidrogênio e carregados por um circuito elétrico externo para o lado do cátodo (positivo). Os íons de hidrogênio carregados positivamente (prótons), então, passam através da membrana de troca de prótons para o catalisador no lado do cátodo, onde eles reagem com o oxigênio e os elétrons do circuito elétrico para formar o vapor de água (HdoisO) e calor. O circuito elétrico é usado para realizar trabalhos, como alimentar um motor. Encyclopædia Britannica, Inc.
Aprenda sobre a nova tecnologia de divisão de moléculas de água que separa hidrogênio e oxigênio. Um catalisador que divide a água em hidrogênio e oxigênio pode fornecer uma maneira de produzir hidrogênio combustível. American Chemical Society (um parceiro editorial da Britannica) Veja todos os vídeos para este artigo
O governo dos Estados Unidos e vários governos estaduais, principalmente a Califórnia, lançaram programas para incentivar o desenvolvimento e o uso de células a combustível de hidrogênio no transporte e em outras aplicações. Embora a tecnologia tenha se mostrado viável, os esforços para torná-la comercialmente competitiva têm tido menos sucesso devido à preocupação com o poder explosivo do hidrogênio, a densidade de energia relativamente baixa do hidrogênio e o alto custo da platina catalisadores usado para criar uma corrente elétrica separando elétrons de átomos de hidrogênio.
Princípios de operação
De energia química a elétrica
Uma célula de combustível (na verdade, um grupo de células) tem essencialmente os mesmos tipos de componentes que uma bateria. Como neste último, cada célula de um combustível sistema celular tem um par correspondente de eletrodos. São o ânodo, que fornece elétrons, e o cátodo, que absorve elétrons. Ambos os eletrodos devem ser imersos e separados por um eletrólito, que pode ser um líquido ou um sólido, mas que deve, em ambos os casos, conduzir íons entre os eletrodos para completar a química do sistema. Um combustível, como hidrogênio , é fornecido ao ânodo, onde é oxidado, produzindo íons hidrogênio e elétrons. Um oxidante, como oxigênio , é fornecido ao cátodo, onde os íons de hidrogênio do ânodo absorvem elétrons deste último e reage com o oxigênio para produzir água. A diferença entre os respectivos níveis de energia nos eletrodos (força eletromotriz) é a tensão por célula unitária. A quantidade de corrente elétrica disponível para o circuito externo depende da atividade química e da quantidade de substâncias fornecidas como combustíveis. O processo de produção de corrente continua enquanto houver um suprimento de reagentes, pois os eletrodos e eletrólitos de uma célula de combustível, ao contrário daqueles em uma bateria normal, são projetados para permanecerem inalterados por reação química .
diagrama de uma célula de combustível Uma célula de combustível típica. Encyclopædia Britannica, Inc.
Uma célula de combustível prática é necessariamente um sistema complexo. Deve ter recursos para aumentar a atividade do combustível, bombas e ventiladores, recipientes de armazenamento de combustível e uma variedade de sensores e controles sofisticados para monitorar e ajustar a operação do sistema. A capacidade operacional e a vida útil de cada um desses recursos de projeto do sistema podem limitar o desempenho da célula de combustível.
Como no caso de outros sistemas eletroquímicos, a operação da célula de combustível depende da temperatura. A atividade química dos combustíveis e o valor dos promotores de atividade, ou catalisadores , são reduzidos por baixas temperaturas (por exemplo, 0 ° C ou 32 ° F). Por outro lado, temperaturas muito altas melhoram os fatores de atividade, mas podem reduzir a vida útil de funcionamento dos eletrodos, sopradores, materiais de construção e sensores. Cada tipo de célula de combustível tem, portanto, uma faixa de projeto de temperatura operacional, e um desvio significativo dessa faixa provavelmente diminuirá a capacidade e a vida útil.
Uma célula de combustível, como uma bateria, é inerentemente um alto eficiência dispositivo. Ao contrário das máquinas de combustão interna, nas quais um combustível é queimado e o gás expandido para fazer o trabalho, a célula a combustível converte energia química diretamente em energia elétrica. Devido a essa característica fundamental, as células de combustível podem converter combustíveis em energia útil com uma eficiência de até 60 por cento, enquanto o motor de combustão interna é limitado a eficiências perto de 40 por cento ou menos. A alta eficiência significa que muito menos combustível e um recipiente de armazenamento menor são necessários para um requisito fixo de energia. Por esta razão, as células de combustível são uma fonte de energia atraente para missões espaciais de duração limitada e para outras situações onde o combustível é muito caro e difícil de fornecer. Eles também não emitem gases nocivos, como dióxido de nitrogênio e praticamente não produzem ruído durante a operação, tornando-os contendores para estações de geração de energia municipais locais.
Uma célula de combustível pode ser projetada para operar reversivelmente. Em outras palavras, uma célula de hidrogênio-oxigênio que produz água como produto pode ser feita para regenerar hidrogênio e oxigênio. Tal célula de combustível regenerativa envolve não apenas uma revisão do projeto do eletrodo, mas também a introdução de meios especiais para separar os gases do produto. Eventualmente, módulos de energia composta este tipo de célula de combustível de alta eficiência, usada em conjunto com grandes matrizes de coletores térmicos para aquecimento solar ou outro energia solar sistemas, podem ser utilizados para manter os custos do ciclo de energia mais baixos em equipamentos de vida mais longa. Maior automóvel empresas e fabricantes de máquinas elétricas em todo o mundo anunciaram sua intenção de produzir ou usar células de combustível comercialmente nos próximos anos.
Projetando sistemas de células de combustível
Como uma célula de combustível produz eletricidade continuamente a partir do combustível, ela tem muitas características de saída semelhantes às de qualquer outro sistema gerador de corrente contínua (CC). Um sistema de gerador DC pode ser operado de duas maneiras do ponto de vista do planejamento: (1) o combustível pode ser queimado em um motor térmico para acionar um gerador elétrico, o que torna a energia disponível e o fluxo de corrente, ou (2) o combustível pode ser convertido para uma forma adequada para uma célula de combustível, que então gera energia diretamente.
Uma ampla gama de combustíveis líquidos e sólidos pode ser usada para um sistema de motor térmico, enquanto o hidrogênio, o gás natural reformado (isto é, metano que foi convertido em gás rico em hidrogênio), e metanol são os principais combustíveis disponíveis para as células de combustível atuais. Se combustíveis como o gás natural devem ser alterados em composição para uma célula de combustível, a eficiência líquida do sistema de célula de combustível é reduzida e muito de sua vantagem de eficiência é perdida. Esse sistema de célula de combustível indireto ainda exibiria uma vantagem de eficiência de até 20 por cento. No entanto, para ser competitivo com as modernas usinas de geração térmica, um sistema de célula a combustível deve atingir um bom equilíbrio de projeto com baixas perdas elétricas internas, eletrodos resistentes à corrosão, um eletrólito de composição constante, baixo catalisador custos e combustíveis ecologicamente aceitáveis.
O primeiro desafio técnico que deve ser superado no desenvolvimento de células de combustível práticas é projetar e montar um eletrodo que permita que o combustível gasoso ou líquido entre em contato com um catalisador e um eletrólito em um grupo de locais sólidos que não mudam muito rapidamente. Assim, uma situação de reação trifásica é típica em um eletrodo que também deve servir como um condutor elétrico. Tal pode ser fornecido por folhas finas que têm (1) uma camada impermeável geralmente com politetrafluoroetileno (Teflon), (2) uma camada ativa de um catalisador (por exemplo, platina , ouro ou um composto organometálico complexo em um carbono base) e (3) uma camada condutora para transportar a corrente gerada para dentro ou para fora do eletrodo. Se o eletrodo for inundado com eletrólito, a taxa de operação se tornará muito lenta, na melhor das hipóteses. Se o combustível passar para o lado do eletrólito do eletrodo, o compartimento do eletrólito pode ficar cheio de gás ou vapor, provocando uma explosão caso o gás oxidante também alcance o compartimento do eletrólito ou o gás combustível entre no compartimento do gás oxidante. Resumindo, para manter a operação estável em uma célula de combustível em funcionamento, um projeto cuidadoso, construção e controle de pressão são essenciais. Como as células de combustível foram usadas em voos lunares da Apollo, bem como em todas as outras missões espaciais tripuladas orbitais dos EUA (por exemplo, as da Gemini e do ônibus espacial), é evidente que todos os três requisitos podem ser atendidos de forma confiável.
Fornecer um sistema de suporte de célula de combustível de bombas, sopradores, sensores e controles para manter as taxas de combustível, carga de corrente elétrica, pressões de gás e líquido e temperatura da célula de combustível continua sendo um grande desafio de projeto de engenharia. Melhorias significativas na vida útil desses componentes sob condições adversas contribuiriam para o uso mais amplo de células de combustível.
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