UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
CAMPUS CURITIBA
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA
CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA - ÊNFASE ELETROTÉCNICA
RAMIRES HERRMANN MOKWA
JOSIANNE GONÇALVES PINTO TANAKA
RODRIGO DO ROSÁRIO GONÇALVES
ESTUDO E ANÁLISE EXPERIMENTAL DE UM SISTEMA DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
CURITIBA
2007
RAMIRES HERRMANN MOKWA
JOSIANNE GONÇALVES PINTO TANAKA
RODRIGO DO ROSÁRIO GONÇALVES
ESTUDO E ANÁLISE EXPERIMENTAL DE UM SISTEMA DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
Projeto Final apresentado na disciplina de
Projeto Final 1 do curso de Engenharia
Industrial Elétrica – Ênfase em Eletrotécnica.
Orientadora: Profa. Maria de Fátima Ribeiro
Raia Cabreira, Dra. Eng.
Co-orientador: William Záccaro Gomes, Eng.
CURITIBA
2007
AGRADECIMENTOS
À nossa família, pelo apoio incondicional em todos os momentos das nossas
vidas, em especial aos nossos maravilhosos pais e companheiros (as) que são
motivos de tanto orgulho. À nossa orientadora Professora Maria de Fátima Ribeiro
Raia Cabreira e ao nosso co-orientador William Záccaro Gomes, pela capacidade de
ensinar e estimular o nosso interesse em busca do conhecimento e pelo intenso
apoio para a efetiva realização deste projeto.
E por fim, agradecemos a Deus, que sempre esteve conosco, guiando,
abençoando e iluminando nossos caminhos, para que as barreiras fossem
superadas e as vitórias conquistadas.
RESUMO
Este trabalho tem por finalidade principal analisar experimentalmente um
sistema composto por um painel fotovoltaico, um eletrolisador e uma célula a
combustível. O eletrolisador é um equipamento que converte energia elétrica em
energia química, através do processo de eletrólise. A substância a ser eletrolisada
será a água deionizada e os produtos são os gases hidrogênio e oxigênio. A célula a
combustível é um equipamento que converte energia química em energia elétrica,
através do processo de oxidação do hidrogênio, produto do processo anterior. O
painel fotovoltaico será utilizado para fornecer energia elétrica ao eletrolisador, não
sendo foco deste trabalho e sua implementação no sistema visa contemplar a
geração distribuída e a cogeração, duas alternativas de produção e utilização de
energia. No presente, serão determinadas experimentalmente as eficiências da
célula a combustível e a global da associação desta ao eletrolisador, na
transformação de energia. As células a combustível representam um avanço
tecnológico tendo inúmeras aplicações práticas, desde a substituição de baterias de
celulares até aplicações em automóveis, substituindo os atuais motores a
combustão. As vantagens proporcionadas pelas células a combustível se resumem
em uma alta eficiência energética, utilização de fontes renováveis de energia e
redução da emissão de poluentes.
Palavras-chave: célula a combustível; hidrogênio; eletrolisador.
SUMÁRIO AGRADECIMENTOS................................................................................................................................................................2
RESUMO.......... ..........................................................................................................................................................................3
SUMÁRIO......... .........................................................................................................................................................................4
LISTA DE FIGURAS.................................................................................................................................................................6
LISTA DE TABELAS ................................................................................................................................................................7
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS .................................................................................................................................7
1 INTRODUÇÃO GERAL..................................................................................................................................1
1.1 INTRODUÇÃO .....................................................................................................................................................8
1.2 PROBLEMA........................................................................................................................................................10
1.3 JUSTIFICATIVA ................................................................................................................................................10
1.4 OBJETIVOS ........................................................................................................................................................11
1.4.1 OBJETIVO GERAL..................................................................................................................................11
1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................................................................11
1.5 MÉTODO DE PESQUISA ..................................................................................................................................12
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO.........................................................................................................................13
2 REFERENCIAIS TEÓRICOS........................................................................................................................14
2.1 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA DE ENERGIA ELÉTRICA ...................................................................................14
2.2 CÉLULAS A COMBUSTÍVEL ..........................................................................................................................18
2.2.1 HISTÓRICO..............................................................................................................................................18
2.2.2 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO ...................................................................................................19
2.2.3 TECNOLOGIAS .......................................................................................................................................27
2.2.3.1 CÉLULA A COMBUSTÍVEL ALCALINA ..................................................................................27
2.2.3.2 CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE ÁCIDO FOSFÓRICO .............................................................28
2.2.3.3 CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE METANOL DIRETO..............................................................29
2.2.3.4 CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE CARBONATO FUNDIDO .....................................................29
2.2.3.5 CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE ÓXIDO SÓLIDO ....................................................................31
2.2.3.6 CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE MEMBRANA DE TROCA DE PRÓTONS ...........................31
2.2.3.7 CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE ZINCO-AR..............................................................................33
2.2.3.8 CÉLULA A COMBUSTÍVEL REGENERATIVA ........................................................................35
2.2.3.9 CARACTERÍSTICAS GERAIS.....................................................................................................35
2.3 PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO .......................................................................................................................36
2.3.1 HIDROGÊNIO A PARTIR DE COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS ..................................................................36
2.3.1.1 REFORMA A VAPOR DO GÁS NATURAL ...............................................................................37
2.3.1.2 OXIDAÇÃO PARCIAL DE HIDROCARBONETOS PESADOS.................................................39
2.3.1.3 GASEIFICAÇÃO DO CARVÃO...................................................................................................40
2.3.1.4 PIRÓLISE DE HIDROCARBONETOS.........................................................................................40
2.3.1.5 PIRÓLISE DE HIDROCARBONETOS A PLASMA....................................................................40
2.3.2 HIDROGÊNIO A PARTIR DA ELETRÓLISE........................................................................................41
2.3.2.1 ELETRÓLISE DA ÁGUA..............................................................................................................43
2.3.2.2 FOTO-ELETRÓLISE .....................................................................................................................45
2.3.3 HIDROGÊNIO A PARTIR DA BIOMASSA...........................................................................................45
2.3.3.1 GASEIFICAÇÃO A VAPOR.........................................................................................................45
2.3.3.2 PIRÓLISE DE BIOMASSA ...........................................................................................................46
SUMÁRIO 2.3.3.3 HIDRATAÇÃO BIOQUÍMICA OU FOTO-BIOLÓGICA............................................................46
2.3.4 PAINÉIS FOTOVOLTAICOS..................................................................................................................47
2.3.4.1 TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS ..................................................................................49
2.3.4.2 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO.........................................................................................50
2.3.4.3 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS..............................................................................................51
2.3.4.4 ELEMENTOS DE CONSTRUÇÃO...............................................................................................52
2.3.4.5 TAREFAS ESPECÍFICAS .............................................................................................................53
2.4 ARMAZENAMENTO DE HIDROGÊNIO.........................................................................................................54
2.4.1 HIDRETOS METÁLICOS........................................................................................................................55
2.4.2 HIDROGÊNIO COMPRIMIDO ...............................................................................................................55
2.4.3 HIDROGÊNIO LÍQUIDO ........................................................................................................................56
2.4.4 HIDROGÊNIO QUIMICAMENTE ARMAZENADO.............................................................................56
2.4.5 NANOTUBOS DE CARBONO................................................................................................................57
2.4.6 MICRO-ESFERAS DE VIDRO................................................................................................................57
2.4.7 PORTADOR LÍQUIDO DE HIDROGÊNIO............................................................................................58
2.5 ELETROLISADORES ........................................................................................................................................58
2.5.1 ELETROLISADOR ALCALINO .............................................................................................................60
2.5.2 ELETROLISADOR DE MEMBRANA DE TROCA DE PRÓTONS ......................................................61
2.5.3 ELETROLISADOR DE ÓXIDO SÓLIDO ...............................................................................................63
2.5.4 CARACTERÍSTICAS DOS ELETRODOS..............................................................................................63
2.5.4.1 ELETRODOS POROSOS DE LIGA DE NÍQUEL-ALUMÍNIO ..................................................64
2.5.4.2 ELETRODOS DE CHAPAS PLANAS E SUPERFÍCIE PREPARADA.......................................64
2.5.4.3 ELETRODOS DE TELA DE MALHA FINA................................................................................65
2.6 EFICIÊNCIA DE ELETROLISADORES E CÉLULAS A COMBUSTÍVEL ....................................................65
2.7 PARÂMETROS DEFINIDOS PARA O PROJETO............................................................................................70
3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ......................................................................................................72
3.1 LISTA DE MATERIAIS .....................................................................................................................................72
3.2 PROCEDIMENTOS COMUNS ..........................................................................................................................77
3.2.1 AJUSTE DA LÂMPADA AO PAINEL FOTOVOLTAICO ....................................................................77
3.2.2 PURIFICAÇÃO DO SISTEMA................................................................................................................78
3.2.3 ARMAZENAGEM DE VOLUME FIXO DE HIDROGÊNIO .................................................................80
3.3 ENSAIO PARA O PAINEL FOTOVOLTAICO.................................................................................................80
3.4 ENSAIOS PARA O ELETROLISADOR............................................................................................................83
3.5 ENSAIOS PARA A CÉLULA A COMBUSTÍVEL............................................................................................90
3.5.1 CURVA CARACTERÍSTICA DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL..........................................................91
3.5.2 MUDANÇA DO AGENTE OXIDANTE NA CÉLULA A COMBUSTÍVEL .........................................94
3.5.3 PRIMEIRA LEI DE FARADAY APLICADA À CÉLULA A COMBUSTÍVEL ....................................97
3.5.4 EFICIÊNCIA DE FARADAY DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL ........................................................101
3.5.5 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL.........................................................102
3.5.6 ENSAIOS COMPLEMENTARES..........................................................................................................104
3.6 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DO SISTEMA...................................................................................................107
4 CONCLUSÕES ............................................................................................................................................112
REFERÊNCIAS......................................................................................................................................................................114
LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 - CÉLULA A COMBUSTÍVEL UTILIZADA NO PROGRAMA APOLLO DA NASA ...................................................... 18
FIGURA 2 - ENTRADA DE HIDROGÊNIO PELO ÂNODO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL ......................................................... 19
FIGURA 3 - QUEBRA DAS MOLÉCULAS DE HIDROGÊNIO E FLUXO DE ELÉTRONS ............................................................... 20
FIGURA 4 - ENTRADA DE OXIGÊNIO PELO CÁTODO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL ............................................................ 21
FIGURA 5 - FORMAÇÃO DE ÁGUA NO CÁTODO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL ..................................................................... 21
FIGURA 6 - PLACAS DE FLUXO DE GASES, BACKING LAYER E MEA ........................................................................................ 24
FIGURA 7 - DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DA PILHA DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL .............................................................. 25
FIGURA 8 - PILHA DE CÉLULAS UNITÁRIAS DA ELETROCELL.................................................................................................... 26
FIGURA 9 - CÉLULAS A COMBUSTÍVEL DA BRASIL H2 FUEL CELL ENERGY.......................................................................... 26
FIGURA 10 - MEMBRANA POLIMÉRICA DA BALLARD..................................................................................................................... 33
FIGURA 11 - SISTEMA DE REFORMA A VAPOR DA LINDE .............................................................................................................. 38
FIGURA 12 - ELETRÓLISE DA ÁGUA...................................................................................................................................................... 43
FIGURA 13 - SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO/FOTOVOLTAICO.............................................................................................................. 48
FIGURA 14 - CÉLULA SOLAR DE CRISTAL ÚNICO ............................................................................................................................. 49
FIGURA 15 - CÉLULA SOLAR POLICRISTALINA ................................................................................................................................. 49
FIGURA 16 - CÉLULA SOLAR AMORFA................................................................................................................................................. 50
FIGURA 17 - ARRANJO DE CÉLULAS SOLARES EM PARALELO..................................................................................................... 53
FIGURA 18 - ESTAÇÃO DE ARMAZENAMENTO DE HIDROGÊNIO EM HAMBURG .................................................................... 54
FIGURA 19 - ELETROLISADOR PEM....................................................................................................................................................... 62
FIGURA 20 - CURVAS DE POTENCIAL VERSUS DENSIDADE DE CORRENTE IDEAL E REAL ................................................. 68
FIGURA 21 - MONTAGEM COMPLETA DO SISTEMA DE CÉLULA A COMBUSTÍVEL................................................................. 72
FIGURA 22 - KIT BRASIL H2 FUEL CELL ENERGY.............................................................................................................................. 73
FIGURA 23 - LUMINÁRIA E LÂMPADA.................................................................................................................................................. 74
FIGURA 24 - CÉLULA A COMBUSTÍVEL................................................................................................................................................ 74
FIGURA 25 - PAINEL FOTOVOLTAICO................................................................................................................................................... 75
FIGURA 26 - ELETROLISADOR ................................................................................................................................................................ 75
FIGURA 27 - MULTÍMETROS .................................................................................................................................................................... 76
FIGURA 28 - DÉCADA RESISTIVA E ACESSÓRIOS.............................................................................................................................. 76
FIGURA 29 - AJUSTE DA LÂMPADA AO PAINEL FOTOVOLTAICO ................................................................................................ 78
FIGURA 30 - ESQUEMA DE MONTAGEM PARA EXECUÇÃO DA PURIFICAÇÃO......................................................................... 79
FIGURA 31 - ESQUEMA PARA O ENSAIO DO PAINEL FOTOVOLTAICO........................................................................................ 81
FIGURA 32 - CURVAS DO PAINEL FOTOVOLTAICO .......................................................................................................................... 82
FIGURA 33 - ESQUEMA PARA OS ENSAIOS DO ELETROLISADOR................................................................................................. 84
FIGURA 34 - CURVAS DO ELETROLISADOR ........................................................................................................................................ 85
FIGURA 35 - CURVAS DE EFICIÊNCIA E VOLUME DE HIDROGÊNIO DO ELETROLISADOR.................................................... 90
FIGURA 36 - ESQUEMA PARA OS ENSAIOS DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL ................................................................................ 91
FIGURA 37 - CURVAS DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL ....................................................................................................................... 92
FIGURA 38 - CURVAS DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL TENDO O AR COMO OXIDANTE ........................................................... 94
FIGURA 39 - TENSÃO EM FUNÇÃO DA CORRENTE ........................................................................................................................... 95
FIGURA 40 - POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA CORRENTE ....................................................................................................................... 96
FIGURA 41 - CONSUMO DE HIDROGÊNIO EM FUNÇÃO DO TEMPO ............................................................................................ 100
FIGURA 42 - CONSUMO DE HIDROGÊNIO EM FUNÇÃO DA CORRENTE .................................................................................... 100
FIGURA 43 - CURVAS DE EFICIÊNCIA E POTÊNCIA DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL ............................................................... 104
FIGURA 44 - ESQUEMA DE LIGAÇÃO DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL EM SÉRIE.................................................................... 106
FIGURA 45 - ESQUEMA DE LIGAÇÃO DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL EM PARALELO.......................................................... 106
FIGURA 46 - EFICIÊNCIA ELÉTRICA DO SISTEMA EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA DA CARGA................................................. 110
LISTA DE TABELAS TABELA 1 - NOMECLATURA DAS TECNOLOGIAS DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL................................................................. 27
TABELA 2 - CARACTERÍSTICAS DAS TECNOLOGIAS ...................................................................................................................... 36
TABELA 3 - MEDIÇÕES NO PAINEL FOTOVOLTAICO ...................................................................................................................... 81
TABELA 4 - MEDIÇÕES NO ELETROLISADOR.................................................................................................................................... 85
TABELA 5 - EFICIÊNCIA E VOLUME DE HIDROGÊNIO DO ELETROLISADOR ........................................................................... 90
TABELA 6 - VALORES DE TENSÃO, CORRENTE E POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA CARGA......................................................... 92
TABELA 7 - MEDIÇÕES NA CÉLULA A COMBUSTÍVEL TENDO O AR COMO OXIDANTE....................................................... 95
TABELA 8 - CONSUMO DE HIDROGÊNIO EM FUNÇÃO DO TEMPO .............................................................................................. 99
TABELA 9 - CONSUMO DE HIDROGÊNIO EM FUNÇÃO DA CARGA.............................................................................................. 99
TABELA 10 - EFICIÊNCIA E CORRENTE NA CÉLULA A COMBUSTÍVEL...................................................................................... 103
TABELA 11 - PARÂMETROS PARA O CÁLCULO DA EFICIÊNCIA ELÉTRICA DO SISTEMA .................................................... 108
TABELA 12 - EFICIÊNCIA ELÉTRICA DO SISTEMA EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA DA CARGA................................................. 110
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS AFC
CÉLULA A COMBUSTÍVEL ALCALINA (ALKALINE FUEL CELL)
BNDES
BANCO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO E SOCIAL
BSPM
MÓDULO FOTOVOLTAICO ESPECÍFICO PARA BATERIA (BATTERY SPECIFC PHOTOVOLTAIC MODULE)
CaC
CÉLULA A COMBUSTÍVEL
DMFC
CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE METANOL DIRETO (DIRECT METHANOL FUEL CELL)
DOE
DEPARTAMENTO DE ENERGIA DOS ESTADOS UNIDOS
ESPM
MÓDULO FOTOVOLTAICO ESPECÍFICO PARA ELETROLISADOR (ELECTROLYSER SPECIFC PHOTOVOLTAIC
MODULE)
MCFC
CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE CARBONATO FUNDIDO (MOLTEN CARBONATE FUEL CELL)
MEA
MEMBRANA ELETRODO CATALISADOR (MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY)
NASA
AGÊNCIA ESPACIAL DOS ESTADOS UNIDOS (NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION)
PAFC
CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE ÁCIDO FOSFÓRICO (PHOSPHORIC ACID FUEL CELL)
PCH
PEQUENA CENTRAL HIDRELÉTRICA
PEM
MEMBRANA DE TROCA DE PRÓTONS (PROTON EXCHANGE MENBRANE)
PEMFC
CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE MEMBRANA DE TROCA DE PRÓTONS (PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL
CELL)
PROINFA
PROGRAMA DE INCENTIVO ÀS FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA ELÉTRICA
SOFC CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE ÓXIDO SÓLIDO (SOLID OXIDE FUEL CELL)
8
1 INTRODUÇÃO GERAL
1.1 INTRODUÇÃO
O modelo atual da produção de energia no mundo esgota os recursos
naturais e deteriora as condições ambientais, pois grande parte da energia
produzida mundialmente tem origem nas jazidas de combustíveis fósseis não
renováveis. Além disso, existem fatores estratégicos e econômicos que devem ser
considerados, pois as jazidas estão concentradas em poucas regiões do mundo
sujeitando os preços dos combustíveis à instabilidade. A melhora do padrão de vida
da humanidade requer o aperfeiçoamento da qualidade da energia fornecida, dos
serviços que podem ser oferecidos a partir do uso dessa energia e da eficiência dos
sistemas que a utilizam, dentro de um processo de crescimento sustentável. Neste
contexto, a célula a combustível destaca-se dentre as diferentes tecnologias
empregadas na conversão de energia (LOPEZ, 2004).
A célula a combustível é uma tecnologia que utiliza um processo
eletroquímico na conversão de energia, onde o hidrogênio é utilizado como
combustível, apresentando como produto final energia elétrica, energia térmica e
água. Um dos equipamentos responsáveis pela produção de hidrogênio é o
eletrolisador, cujo princípio de funcionamento é baseado na célula a combustível
operando reversamente (GOMES NETO, 2005).
A produção do hidrogênio e sua aplicação em células a combustível
contribuirão para a redução da poluição. Por exemplo, a obtenção do hidrogênio
através da eletrólise da água é um processo em que não há emissão de poluentes
(SANTOS JÚNIOR, 2004).
A célula a combustível possui uma infinidade de aplicações como nos meios
de transporte, desde automóveis pequenos, substituindo os tradicionais motores à
combustão, até trens, aeronaves e navios de grande porte. É também empregada
em telefones celulares, substituindo as baterias tradicionais, computadores e outros
equipamentos eletrônicos, além de aplicações relacionadas à geração de energia
elétrica (LOPEZ, 2004).
De acordo com o Ministério da Ciência e Tecnologia (2006), os desafios
inerentes à utilização do hidrogênio como combustível, na realidade como vetor
9
energético, não só no Brasil como em todo o mundo, são expressivos, entretanto,
não configuram dificuldades intransponíveis. Ao contrário, apontam um elenco de
oportunidades para o surgimento de novas empresas de bens e serviços e para a
priorização das atividades de pesquisa, desenvolvimento e suporte tecnológico,
indispensáveis à sustentabilidade dos negócios relacionados à nova economia.
O Brasil possui hidrelétricas com grande potencial de produção de hidrogênio
sem emissão de poluentes, visto que o hidrogênio obtido a partir da água é mais
fácil de purificar. Há também grande interesse por parte das concessionárias de
energia elétrica para a produção de hidrogênio nas hidrelétricas, afinal, um novo
mercado de energia pode ser aproveitado: o de transportes (GOMES NETO, 2005).
Em muitas usinas hidrelétricas, quando as afluências são maiores que a
demanda de energia, uma parcela de água que ainda poderia ser utilizada para
gerar energia é desviada para o vertedouro e literalmente desperdiçada. Essa
energia, cuja denominação é energia vertida turbinável, poderia ser aproveitada para
produzir hidrogênio a custos mais baixos que os atuais, visto a possibilidade de
armazená-lo para posterior utilização (SANTOS JÚNIOR, 2004).
Outra possibilidade é a produção de hidrogênio fora dos horários de grande
consumo aproveitando a ociosidade das máquinas. Desta forma, os custos se
tornariam mais reduzidos (GOMES NETO, 2005).
No Estado Paraná, a Itaipu Binacional está realizando estudos para a
produção de hidrogênio em sua usina, uma das maiores do mundo. Faz parte do seu
plano estratégico se tornar referência no desenvolvimento e investigação tecnológica
do hidrogênio como fonte alternativa de energia. No Estado Minas Gerais, a Cemig,
Companhia Energética de Minas Gerais, montou um laboratório para pesquisas
sobre a produção de hidrogênio (GOMES NETO, 2005).
Apesar de existir tecnologia disponível, a efetiva utilização do hidrogênio
ainda depende do estabelecimento de uma infra-estrutura adequada para sua
distribuição e comercialização. É necessário também reduzir os custos em
praticamente todas as etapas do seu ciclo de vida, da produção à distribuição.
Estima-se que isso poderá ser alcançado em um futuro próximo, através do ganho
de escala a ser obtido com o crescimento de sua demanda (SANTOS JÚNIOR,
2004).
10
De forma a complementar este trabalho serão apresentados uma célula a
combustível, um eletrolisador e um painel fotovoltaico didáticos, demonstrando
experimentalmente o funcionamento da célula a combustível.
O eletrolisador precisará ser alimentado a partir de uma fonte de energia
elétrica, portanto, o painel fotovoltaico será utilizado para esta função. A escolha do
painel fotovoltaico representa uma solução alternativa, visto que este trabalho, além
de apresentar a possibilidade da geração centralizada, pretende abordar o sistema
de geração distribuída de energia elétrica para a produção de hidrogênio. Enfatiza-
se que a célula a combustível é o foco deste trabalho e é mais bem representada em
conjunto com o eletrolisador. O painel fotovoltaico será utilizado como acessório e,
portanto, não será completamente detalhado.
1.2 PROBLEMA
A falta de materiais didáticos de ensino destinados a demonstrar o
funcionamento das células a combustível, obtenção do hidrogênio e suas
aplicações.
A falta de tecnologias de alta eficiência e informações referentes a estas.
1.3 JUSTIFICATIVA
Prover a Universidade Tecnológica Federal do Paraná de um material didático
destinado a disseminar os conhecimentos referentes à tecnologia de células a
combustível e suas aplicações, despertando o interesse acadêmico pela pesquisa
das tecnologias relacionadas ao hidrogênio e células a combustível, dando subsídio
para o desenvolvimento de novos projetos e, desta forma, atuando indiretamente na
capacitação de futuros profissionais desta área. Além disso, esta nova tecnologia é
muito eficiente, utiliza combustível de fonte renovável, pouco poluente e tende a
substituir as fontes atuais de energia, não renováveis e poluentes, por isso a
importância de sua disseminação.
11
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 OBJETIVO GERAL
Estudar e analisar experimentalmente um sistema de células a combustível.
1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Fazer uma revisão bibliográfica a respeito de células a combustível (CaC),
eletrolisadores e painéis fotovoltaicos;
• dimensionar o painel fotovoltaico, a célula a combustível e o eletrolisador;
• comprar o painel fotovoltaico, a célula a combustível e o eletrolisador;
• montar o experimento;
• realizar ensaios para medir a tensão e corrente elétrica na saída do painel
fotovoltaico e variar sua posição em relação a fonte luminosa para obter o
melhor desempenho;
• realizar ensaios para medir a quantidade de hidrogênio produzida pelo
eletrolisador;
• avaliar a eficiência do eletrolisador;
• realizar ensaios para medir a tensão e corrente elétrica na saída da célula a
combustível;
• avaliar a eficiência energética da célula a combustível;
• avaliar a eficiência energética geral do conjunto composto pela célula a
combustível mais o eletrolisador;
• listar os dados coletados anteriormente e fazer uma análise geral dos
resultados do experimento.
12
1.5 MÉTODO DE PESQUISA
O método de pesquisa será de caráter exploratório experimental cujo objetivo
é reunir informações aplicáveis a este trabalho, utilizando livros, artigos, revistas,
internet, catálogos de fabricantes, entre outros.
O painel fotovoltaico, a célula a combustível e o eletrolisador serão
pesquisados, obtidos e dimensionados através de dados fornecidos pela empresa
Brasil H2 Fuel Cell Energy, situada em Curitiba, a qual atua no ramo de pesquisa e
desenvolvimento destes dispositivos. Alguns dados necessários ao
dimensionamento destes componentes são as características elétricas como a
potência, tensão e corrente elétrica.
Os preços serão pesquisados junto aos fornecedores, dando prioridade de
compra a Brasil H2 Fuel Cell Energy que incentiva este trabalho e apresenta
algumas vantagens no fornecimento deste material, como suporte técnico.
Após a montagem do experimento, será feita uma pesquisa das
características do painel fotovoltaico, como a tensão e a corrente elétrica em sua
saída, verificando as características da energia elétrica em função do ângulo de
incidência da luz sobre o mesmo, de forma a obter a máxima potência. Para medir a
corrente será utilizado um resistor de pequeno valor ligado em sua saída. Com o
auxílio de multímetros e osciloscópios e com os valores de tensão e corrente é
possível obter a potência na saída do painel fotovoltaico.
Para o eletrolisador, primeiramente será analisada a quantidade de
hidrogênio produzida em função da energia elétrica fornecida pelo painel
fotovoltaico. Esta quantidade pode ser medida em função do deslocamento do
volume de água, que é transformada em oxigênio e hidrogênio. Posteriormente, sua
eficiência energética será avaliada correlacionando a energia elétrica consumida e a
quantidade de hidrogênio produzida.
Para a célula a combustível serão pesquisadas as características de tensão e
corrente, obtidas pelos mesmos métodos descritos para o eletrolisador. Em seguida,
a partir destas medidas, será avaliada a eficiência energética da célula a
combustível em função da quantidade de hidrogênio consumida e da energia elétrica
obtida na saída.
13
Finalmente, será feita uma análise geral da eficiência energética do conjunto
composto pelo eletrolisador mais o painel fotovoltaico, bem como uma análise geral
dos dados coletados e resultados.
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
O trabalho será constituído de cinco capítulos, listados a seguir:
Capítulo 1 - Introdução geral
1.1. Introdução
1.2. Problema
1.3. Justificativa
1.4. Objetivos
1.4.1. Objetivo geral
1.4.2. Objetivos específicos
1.5. Método de pesquisa
1.6. Estrutura do trabalho
Capítulo 2 - Referenciais teóricos
2.1. Geração distribuída de energia elétrica
2.2. Células a combustível
2.3. Produção de hidrogênio
2.4. Armazenamento de hidrogênio
2.5. Eletrolisadores
2.6. Eficiência de eletrolisadores e células a combustível
Capítulo 3 - Procedimentos experimentais
3.1. Lista de materiais
3.2. Montagem do experimento
3.3. Ensaios para o painel fotovoltaico
3.4. Ensaios para o eletrolisador
3.5. Ensaios para a célula a combustível
Capítulo 4 - Conclusão
Referências
14
2 REFERENCIAIS TEÓRICOS
2.1 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA DE ENERGIA ELÉTRICA
A geração distribuída consiste na produção de energia no local de consumo,
ou próxima a ele. Eventuais excedentes de geração podem ser vendidos à rede local
ou às instalações vizinhas. Além disso, na geração distribuída elimina-se a
necessidade de linhas de transmissão e distribuição, o que conseqüentemente reduz
as perdas nas linhas e os custos com as mesmas.
A competitividade da geração feita perto do consumidor é comprovada em
diversas situações como, por exemplo, onde há possibilidade de cogerar (eficiência
elevada) e de gerar com resíduos (custo muito baixo do combustível). Além disso, a
existência de geradores próximos às cargas aumenta a estabilidade e a
confiabilidade do sistema elétrico, melhorando a qualidade da energia. A cogeração
é a produção combinada de calor e eletricidade numa mesma instalação.
As tecnologias mais promissoras de longo prazo, ainda em estágio de
desenvolvimento, dentre as quais estão as células fotovoltaicas, as micro-turbinas,
as células a combustível, entre outras, estão sendo viabilizadas para alguns nichos
de mercado e a tendência é seu uso generalizado nos próximos anos com custos
decrescentes. O avanço da geração distribuída é inevitável já que proporciona
redução na margem dos custos de produção.
Os proprietários de unidades de geração distribuída de eletricidade no Brasil
podem ser empresas concessionárias de serviço público de geração e produtores
independentes de energia. No caso destes últimos, é comum a complementação
conjunta de suas necessidades de consumo de energia elétrica através de
aquisições da rede local. Por não utilizar, ou utilizar pouco as redes de transmissão
e distribuição, a geração distribuída propicia economia nos investimentos.
Os impactos ambientais oriundos da construção e operação de instalações de
geração distribuída de energia elétrica são, em geral, muito menores do que os
ocasionados por centrais de grande porte. As vantagens supracitadas aceleram o
desenvolvimento de certas tecnologias como a de geradores eólicos e têm permitido
a diversas tecnologias de geração distribuída compensar seus gastos de escala em
relação às grandes centrais geradoras. As principais tecnologias de geração
15
distribuída, atualmente em uso no país, são as pequenas centrais hidrelétricas
PCHs, pequenas centrais termolétricas, em geral utilizando motores de combustão
interna e consumindo óleo diesel, unidades de co-geração consumindo gás natural,
óleo combustível, resíduos de biomassa e resíduos urbanos, geradores eólicos e
painéis fotovoltaicos.
Os custos marginais da cadeia de fornecimento de energia elétrica no Brasil,
sobretudo os de geração, têm subido nos últimos anos e a expectativa é que esta
tendência continue em médio prazo. Isto significa que as tarifas dos consumidores
de eletricidade, de uma forma geral, deverão continuar aumentando nos próximos
anos. Em relação aos grandes consumidores, as suas tarifas de eletricidade deverão
subir ainda mais do que para a média dos consumidores, já que há subsídios
cruzados beneficiando suas tarifas e o Decreto Federal nº 4.667, de 04/04/2003,
prevê que estes subsídios sejam eliminados até 2007. Junto a alguns destes
segmentos é que residem, a curto e médio prazo, boas oportunidades para a
geração distribuída de energia elétrica.
Ainda existem atualmente restrições técnicas à geração distribuída interligada
ao sistema, sendo as barreiras à sua expansão mais de caráter cultural. Trabalhar
com este cenário exige, na prática, uma quebra de paradigmas em um país onde a
expansão da oferta de energia com a geração centralizada é uma história de
sucesso. No entanto, algumas adaptações normativas e nas estruturas tarifárias se
fazem necessárias.
As principais preocupações das concessionárias de energia elétrica são as
questões de segurança pessoal, estabilidade da rede, sistemas de proteção não
familiares utilizados pelos consumidores e uso de pacotes integrados de
interconexão desconhecidos pela concessionária, além do planejamento da geração,
transmissão e distribuição de energia.
O novo modelo institucional do setor elétrico permite às empresas
concessionárias distribuidoras comprar energia de fontes de geração distribuída,
através de um processo de licitação, até 10% da energia que vendem aos seus
consumidores (Decreto Federal nº 5.163, de 30/07/2004). A legislação vigente (Lei
nº 10.762, de 11/11/2003) também beneficia os proprietários de pequenas centrais
hidrelétricas, geradores eólicos, termelétricas à biomassa e cogeradores qualificados
caso sua capacidade instalada seja menor ou igual a 1 MW. Estes propietários
pagam menos ou apenas a metade das tarifas de uso dos sistemas de transmissão
16
e distribuição. A Lei Federal nº 10.438, de 26 de abril de 2002, criou o Programa de
Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA) para incentivar
PCHs, unidades termelétricas que consomem produtos ou resíduos da biomassa e
geradores eólicos (BAJAY et al., 2006; INEE, 2003).
A primeira fase deste programa está em plena implementação e prevê a
instalação de 3300 MW destas centrais até o final de 2006. A Lei n° 10.438 também
prevê uma segunda fase, após 2006, cujas perspectivas econômicas estão pouco
favoráveis no momento por conta de modificações nesta lei, promovidas pelo novo
modelo institucional do setor elétrico. A principal falha do PROINFA é não prever
mecanismos que estimulem a busca de competitividade das tecnologias de geração
distribuída de eletricidade que ele promove. Enquanto não se corrigir esta falha,
dificilmente a segunda fase do programa irá se viabilizar. A atual legislação do setor
elétrico brasileiro permite que proprietários de PCHs possam vender sua energia
para consumidores livres, caracterizados como aqueles que possuem uma demanda
maior ou igual a 0,5 MW (BAJAY et al., 2006; INEE, 2003).
As PCHs também têm isenção relativa à compensação financeira pela
utilização de recursos hídricos e podem participar no rateio da conta de consumo de
combustíveis, quando substituírem geração térmica a óleo diesel nos sistemas
isolados. Este último benefício também se aplica às demais fontes renováveis
alternativas de energia. Para dar início aos projetos de co-geração a gás natural,
segundo o plano de massificação do gás, a Petrobrás pretende oferecer facilidades
que minimizem gargalos que atualmente estão dificultando este negócio, como por
exemplo:
• vincular o preço do gás natural da co-geração ao valor da energia elétrica,
propiciando maior segurança ao consumidor;
• comprar excedentes de energia elétrica da co-geração a preços de mercado;
• oferecer energia de reserva para as unidades de co-geração em melhores
condições do que as oferecidas atualmente pelas empresas concessionárias
de energia elétrica.
A Petrobrás tem interesse em ser parceira e financiar os projetos, através do
fundo de pensão, com uma previsão de investimentos de R$2,5 bilhões e com uma
participação de 25% por projeto. O Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico
17
e Social (BNDES) tem uma expectativa de promover investimentos de R$8,7 bilhões
na expansão do parque gerador.
Resumindo, então, o que está impulsionando a geração distribuída são os
avanços tecnológicos, a reestruturação do setor elétrico e as novas
regulamentações ambientais. As principais aplicações são: utilização de sistemas
remotos, corte dos picos de carga e co-geração.
Os benefícios são os seguintes:
• à economia:
novos ramos de negócios;
• aos consumidores:
maior qualidade de energia;
maior confiabilidade;
preços mais competitivos;
• ao ambiente:
redução de impactos ambientais;
• às concessionárias:
adiamento de investimentos;
abertura de novos mercados.
A combinação desses fatores aponta para novas oportunidades de ganhos
para os diversos participantes do sistema, como consumidores e empresas de
energia elétrica. Nesse novo mercado, naturalmente, os maiores ganhos virão para
quem mais cedo perceber e se adaptar à nova realidade.
As fontes de geração distribuída mais promissoras, a curto e médio prazo,
são: a co-geração com gás natural, a co-geração com resíduos industriais, agrícolas
e urbanos e as pequenas centrais hidrelétricas. Estas tecnologias de geração
distribuída também possuem potenciais significativos em vários estados brasileiros.
Painéis fotovoltaicos devem ter um impacto maior, por exemplo, nos estados da
Bahia e Mato Grosso, mesmo a curto e médio prazo, por conta dos regimes de
insolação favoráveis e da parcela ainda considerável da população rural que vive em
comunidades distantes das redes de distribuição e que ainda não tem acesso à
energia elétrica. Destaque-se, também, o significativo potencial eólico do Estado da
Bahia (BAJAY et al., 2006; INEE, 2003; CAMARGO, 2006).
18
2.2 CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
2.2.1 HISTÓRICO
A primeira célula a combustível surgiu em 1839, desenvolvida pelo físico
inglês, William Grove. Pela passagem de corrente elétrica através da água, podiam-
se obter os gases hidrogênio e oxigênio, fenômeno que levou Grove a deduzir que o
processo reverso, poderia gerar água e energia elétrica. O resultado de sua dedução
pôde ser comprovado pela bateria a gás, nome dado a sua invenção, sem muita
aplicação prática naquela época. Em 1889 os cientistas Ludwig Mond e Charles
Langer nomearam o invento de Grove de célula a combustível, pesquisando
aplicações práticas para a mesma, sem obter muito êxito.
A partir de 1959 o inglês Francis Thomas Bacon demonstrou um sistema de
célula a combustível de 5 kW para fazer funcionar uma máquina de solda,
encontrando, então, a primeira aplicação prática o invento de Grove. No entanto, as
aplicações de maior importância das células a combustível iniciaram-se nos projetos
Apollo (figura 1) e Gemini da Agência Espacial dos Estados Unidos, a NASA. Era
necessário um equipamento para a produção de energia com eficiência e que
utilizasse um combustível leve e com grande densidade de energia. Então, foi
escolhido o hidrogênio (GOMES NETO, 2005).
FIGURA 1 - CÉLULA A COMBUSTÍVEL UTILIZADA NO PROGRAMA APOLLO DA NASA
FONTE: GOMES NETO (2005)
19
2.2.2 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO
Uma célula a combustível é composta basicamente de quatro itens
fundamentais ao seu funcionamento, que são os dois eletrodos, sendo um
denominado de cátodo, terminal positivo associado ao gás oxigênio, o outro de
ânodo, terminal negativo associado ao gás hidrogênio, o catalisador e o eletrólito.
Resumidamente, de um lado da célula entra o hidrogênio e do outro lado o oxigênio.
No meio, entre os eletrodos, existem o eletrólito e o catalisador que são a lógica de
funcionamento da célula a combustível.
O hidrogênio pode ser obtido a partir da água e também de combustíveis
fósseis, gás natural, metanol, etanol e outros hidrocarbonetos. A célula a
combustível é um dispositivo eletroquímico em que um combustível e um agente
oxidante reagem diretamente, produzindo eletricidade. Uma vez que este processo
não segue o ciclo termodinâmico, as temperaturas elevadas não são necessárias
para uma boa eficiência.
O funcionamento básico da célula a combustível, de acordo com Gomes Neto
(2005, p. 96), pode ser analisado conforme as cinco etapas descritas a seguir.
FIGURA 2 - ENTRADA DE HIDROGÊNIO PELO ÂNODO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL
FONTE: GOMES NETO (2005)
20
1) Pelo ânodo, terminal negativo da célula, entra o hidrogênio ( )
pressurizado percorrendo os canais de fluxo até alcançar o catalisador, conforme a
figura 2.
2H
2) Quando o gás hidrogênio atinge o catalisador, suas moléculas se dividem
em dois íons de hidrogênio ( +H ), mais dois elétrons (2 ), de acordo com a figura
3.
−e
FIGURA 3 - QUEBRA DAS MOLÉCULAS DE HIDROGÊNIO E FLUXO DE ELÉTRONS
FONTE: GOMES NETO (2005)
3) Os elétrons percorrem o eletrodo negativo até alcançarem o circuito
externo onde haverá um fluxo de elétrons, ou seja, a corrente elétrica. Esta corrente
flui do ânodo para o cátodo, podendo ser utilizada para alimentar uma carga. As
moléculas de hidrogênio ( ) que não foram quebradas pelo catalisador no primeiro
contato, são realimentadas até serem quebradas, pois apenas os íons
2H+H
conseguem passar através do eletrólito. A reação química desta etapa corresponde
à equação 1:
(1) −+ +→ eHH 442 2
21
4) Pelo cátodo, terminal positivo da célula, entra o gás oxigênio ( )
pressurizado. O gás percorre os canais de fluxo até alcançar o catalisador, conforme
a figura 4.
2O
FIGURA 4 - ENTRADA DE OXIGÊNIO PELO CÁTODO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL
FONTE: GOMES NETO (2005)
FIGURA 5 - FORMAÇÃO DE ÁGUA NO CÁTODO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL
FONTE: GOMES NETO (2005)
22
5) Quando estão no catalisador, as moléculas de oxigênio combinam-se com
os íons +H que atravessaram o eletrólito e com os elétrons que percorreram o
circuito externo, formando a molécula de água ( ), de acordo com a figura 5.
Nesta reação, é liberada uma quantidade de calor na forma de vapor de água. A
reação química que corresponde a esta etapa é a equação 2:
OH 2
(2) OHeHO 22 244 →++ −+
Os eletrodos são construídos de material poroso para que ocorra a passagem
dos gases entre as camadas da célula. O material deve ser condutor de eletricidade
como a grafite misturada a componentes hidrofóbicos, ou o aço inoxidável. Possuem
canais de fluxo desenhados cujo objetivo é atingir toda a superfície do eletrólito, que
é revestido pelo catalisador. Na célula a combustível ocorre o processo inverso ao
processo da eletrólise, justificando a denominação dos terminais dos eletrodos. A
função do catalisador, além de acelerar as reações químicas, é quebrar a molécula
do gás hidrogênio ( ) obtendo íons 2H +H e elétrons. Exemplos de materiais
utilizados como catalisadores são platina e níquel. A escolha do material depende da
tecnologia utilizada, cujas descrições serão apresentadas oportunamente e da
temperatura de operação da célula a combustível. Paras baixas temperaturas utiliza-
se a platina e para altas temperaturas utiliza-se o níquel. Várias técnicas estão em
estudo para reduzir a quantidade de platina utilizada na maioria das células a
combustível devido ao seu alto custo e também estão em estudo outros materiais
mais baratos para substituir a platina.
O eletrólito consiste de uma substância capaz de permitir o movimento das
cargas positivas, no caso, os íons +H . Os elétrons não passam pelo eletrólito e
devem fluir por um circuito externo, produzindo uma corrente elétrica. A substância
mais conhecida utilizada como eletrólito é a Nafion, produzida pela empresa DuPont
e baseada no Teflon. Trata-se de uma membrana, também conhecida como
membrana polimérica de troca de prótons.
O eletrólito define as características da célula a combustível e está
relacionado à tecnologia utilizada. As tecnologias relacionadas são as mesmas
utilizadas para a construção dos eletrolisadores e serão comentadas oportunamente,
mais adiante.
23
Fazendo-se uma análise mais detalhada, a célula a combustível apresenta
ainda dois componentes auxiliares importantes para o seu desempenho: os backing
layers e as placas de fluxo de gases e coletoras de corrente. Os primeiros consistem
de uma espécie de camada base utilizada nos dois lados de cada célula a
combustível unitária, no ânodo e no cátodo. São muito bons para conduzirem os
elétrons que saem do ânodo para o cátodo, através do circuito externo, oferecem
uma boa difusão dos gases reagentes até o catalisador, são também utilizados para
controlar a umidade da membrana polimérica de troca de prótons e permitir que a
água produzida no cátodo deixe a célula, ao invés de encharcá-la, o que prejudicaria
o fluxo do oxigênio, fundamental às reações. O segundo consiste de placas de
material leve, resistente, impermeável aos gases e também bom condutor de
eletricidade. Um dos lados de uma destas placas, com a face voltada para o backing
layer, contém canais desenhados por máquinas utilizados para carregar os gases
reagentes até o local em que deverão ocorrer as reações, de forma uniforme, por
toda a área ativa do conjunto membrana/catalisador. A segunda função é a de
permitir o fluxo da corrente elétrica. Os elétrons produzidos pela oxidação do
hidrogênio devem ser conduzidos através do ânodo do conjunto
membrana/catalisador, através dos backing layers e através da placa, antes que
possam sair da célula. Então, os elétrons devem fluir pelo circuito externo e voltar
para a célula pela placa do cátodo. O conjunto membrana/eletrodo/catalisador é
chamado de MEA, do inglês Membrane Electrode Assembly. A GM (General Motors)
está desenvolvendo células a combustível para a aplicação em automóveis,
substituindo os motores a combustão por motores elétricos. A figura 6 apresenta o
conjunto completo de uma célula a combustível unitária produzida pela GM.
24
FIGURA 6 - PLACAS DE FLUXO DE GASES, BACKING LAYER E MEA
FONTE: GOMES NETO (2005)
Uma unidade de célula a combustível próxima do ideal forneceria uma tensão
de aproximadamente 1,23 V. As células a combustível unitárias podem ser
associadas em paralelo, dependendo da potência requerida, ou em série de forma a
obter uma pilha de células a combustível para aumentar a diferença de potencial e a
capacidade do sistema, analogamente à associação de pilhas comuns. Essa
associação é chamada de pilha de células a combustível. Se simplesmente as
células unitárias fossem empilhadas, as placas do cátodo e do ânodo estariam lado
a lado, o que aumentaria o volume e o peso total da pilha de células. Para separar
25
uma célula unitária da outra, reduzindo desta forma o volume e o peso total do
conjunto, o que é desejável, utiliza-se uma única placa contendo canais de fluxo de
gases desenhados em cada lado desta, ao invés de uma placa para o ânodo e outra
para o cátodo. Esta placa é chamada de placa bipolar. É importante que as placas
bipolares sejam feitas de materiais impermeáveis aos gases, caso contrário, uma
mistura explosiva pode ocorrer. A placa bipolar deve ser boa condutora de elétrons,
pois os elétrons produzidos no lado do ânodo da placa bipolar são conduzidos
através da placa até o cátodo no outro lado da placa bipolar. Duas placas terminais,
uma em cada extremidade da pilha de células a combustível, ficam conectadas
através de um circuito externo.
A configuração de uma pilha de células a combustível é apresentada de
acordo com a figura 7, a seguir.
FIGURA 7 - DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DA PILHA DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
FONTE: GOMES NETO (2005)
A figura 8 apresenta o empilhamento de células unitárias de uma célula a
combustível de 5 kW fabricada pela empresa Eletrocell Ltda. Nesta figura são
observadas diversas células unitárias e outros acessórios constitutivos, como as
placas coletoras de corrente, as placas terminais e os tirantes de tensionamento
(GOMES NETO, 2005; SERRA et al., 2004).
26
FIGURA 8 - PILHA DE CÉLULAS UNITÁRIAS DA ELETROCELL
FONTE: SERRA ET AL. (2005)
FIGURA 9 - CÉLULAS A COMBUSTÍVEL DA BRASIL H2 FUEL CELL ENERGY
FONTE: BRASIL H2 FUEL CELL ENERGY (S.D.)
Na figura 9, pode-se observar o aspecto das células a combustível fabricadas
pela Brasil H2 Fuel Cell Energy para aplicações didáticas (BRASIL H2 FUEL CELL
ENERGY, s.d.).
27
2.2.3 TECNOLOGIAS
Atualmente existem pelo menos oito tecnologias de células a combustível
para combinarem hidrogênio e oxigênio, entretanto elas têm o mesmo princípio de
funcionamento. A diferença está no tipo de eletrólito utilizado em cada célula a
combustível.
Os nomes referentes aos tipos de tecnologias empregadas, representados
por siglas, são apresentados na tabela 1 que apresenta as denominações originais
da língua inglesa e seu significado em português.
TABELA 1 - NOMECLATURA DAS TECNOLOGIAS DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
Tipo Denominação em inglês Denominação em português
AFC Alkaline fuel cell Célula a combustível alcalina
PAFC Phophoric acid fuel cell Célula a combustível de ácido fosfórico
PEMFC Proton exchange membrane fuel
cell
Célula a combustível de membrana de troca de
prótons
DMFC Direct methanol fuel cell Célula a combustível de metanol direto
MCFC Molten carbonate fuel cell Célula a combustível de carbonato fundido
SOFC Solid oxide fuel cell Célula a combustível de óxido sólido
ZAFC Zinc-air fuel cell Célula a combustível de zinco-ar
RFC Regenerative fuel cell Célula a combustível regenerativa
FONTE: SERRA ET AL (2005)
2.2.3.1 CÉLULA A COMBUSTÍVEL ALCALINA
Este tipo de célula a combustível funciona com hidrogênio e oxigênio
comprimidos. Usa como eletrólito uma solução de hidróxido de potássio (KOH) em
água. A eficiência pode atingir até 75% e sua temperatura de funcionamento está
entre 50 °C e 250 °C. Uma célula deste tipo pode fornecer uma potência entre
300.W e 5 kW. Estas células a combustível precisam de hidrogênio puro como
combustível porque as impurezas podem provocar a formação de carbonato sólido,
que interfere em suas reações internas. As reações que ocorrem no ânodo, no
cátodo e a reação global da célula a combustível alcalina são dadas pelas equações
3, 4 e 5, respectivamente.
28
Reação no ânodo: (3) −− +→+ eOHOHH 4442 22
Reação no cátodo: (4) −− →++ OHeOHO 442 22
Reação total na célula: OHOH 222 22 →+ (5)
Foi este o tipo de células a combustível utilizada no projeto espacial Apollo da
NASA para fornecer eletricidade e água potável. Uma das maiores desvantagens
desta tecnologia é o preço do catalisador de platina (LOPEZ, 2004; GOMES NETO,
2005; HURLEY, 2004).
2.2.3.2 CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE ÁCIDO FOSFÓRICO
As células a combustível deste tipo são as que exibem o estado de
desenvolvimento mais amadurecido até ao momento, tendo sido as primeiras a
serem comercializadas. Desenvolvidas em meados dos anos 60 e testadas desde os
anos 70, têm melhorado significativamente em estabilidade, desempenho e custo.
Estas características fazem das células a combustível de ácido fosfórico boas
candidatas a aplicações fixas. Neste tipo de células o eletrólito é o ácido fosfórico
( ) concentrado, fazendo-se necessário que os componentes das células
sejam resistentes à corrosão. A condutividade iônica do ácido fosfórico é baixa para
temperaturas reduzidas e por isso estas células devem operar entre 160º C e
240.ºC. As reações que ocorrem no ânodo, no cátodo e a reação global da célula a
combustível de ácido fosfórico são dadas pelas equações 6, 7 e 8, respectivamente.
43POH
Reação no ânodo: (6) −+ +→ eHH 442 2
Reação no cátodo: (7) OHeHO 22 244 →++ −+
Reação total na célula: OHOH 222 22 →+ (8)
A eficiência elétrica das células a combustível de ácido fosfórico são
tipicamente em torno de 40%. Os 80% de eficiência podem ser atingidos através do
aproveitamento da energia liberada em forma de calor (LOPEZ, 2004; GOMES
NETO, 2005; HURLEY, 2004).
29
2.2.3.3 CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE METANOL DIRETO
A tecnologia DMFC é muito semelhante à utilizada nas células a combustível
com membrana de troca de prótons. Neste caso, a célula a combustível faz uso do
metanol diretamente, sem a necessidade de reformar o combustível para obtenção
do hidrogênio puro. O metanol é convertido em dióxido de carbono e íons hidrogênio
no ânodo. A partir daí a célula segue o padrão de reação de uma PEMFC. Este tipo
de célula não apresenta os problemas de armazenamento, típicos de outras
tecnologias, visto que o metanol tem energia volumétrica maior que o hidrogênio
(embora menor que a gasolina ou o diesel). O metanol é de mais fácil transporte e
fornecimento ao mercado porque pode usar a intra-estrutura já existente, visto ser
um combustível líquido. Para a célula a combustível de metanol direto, as reações
que ocorrem no ânodo, no cátodo e a reação global são apresentadas,
respectivamente, nas equações 9, 10 e 11.
Reação no ânodo: (9) −+ ++→+ eHCOOHOHCH 66223
Reação no cátodo: OHeHO 22 36623 →++ −+ (10)
Reação total na célula: OHCOOOHCH 2223 223 +→+ (11)
Estas células funcionam em uma gama de temperaturas que está entre 50.ºC
e 200.ºC, um pouco acima das temperaturas padrões de operação da tecnologia
PEMFC e atingem uma eficiência de 40%. Uma das principais desvantagens é a
necessidade de maior quantidade de platina como catalisador de forma a tornar
possível a conversão do metanol em hidrogênio e dióxido de carbono, nas baixas
temperaturas, relativamente (LOPEZ, 2004; GOMES NETO, 2005; HURLEY, 2004).
2.2.3.4 CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE CARBONATO FUNDIDO
Numa célula a combustível de carbonato fundido o eletrólito é composto por
sais de carbonato. Aquecido a 650 ºC, o sal derrete e conduz íons carbonato ( )
do cátodo para ao ânodo. No ânodo, o hidrogênio reage com os íons e produz água,
−23CO
30
dióxido de carbono e elétrons. Os elétrons, ao atravessarem um circuito externo,
fornecem energia elétrica e voltam ao cátodo. Uma vez no cátodo, o oxigênio do ar e
o dióxido de carbono produzido no ânodo reagem com os elétrons para formar íons
( ) que reabastecem o eletrólito e transferem corrente através da célula a
combustível. Para esta tecnologia, a reação no ânodo é dada pela equação 12, a
reação no cátodo é dada pela equação 13 e a reação global, pela equação 14.
−23CO
Reação no ânodo: (12) −− ++→+ eCOOHHCO 222223
Reação no cátodo: −− →++ 2322 22
1 COeOCO (13)
Reação total na célula: 22222 21 COOHCOOH +→++ (14)
Este tipo de célula a combustível pode extrair hidrogênio a partir de uma
variedade de combustíveis utilizando um reformador interno ou externo. É também
menos sujeita a contaminação por monóxido de carbono do que as células a
combustível que operam em baixas temperaturas. Isso faz com que os combustíveis
fósseis sejam adequados para este tipo de célula a combustível.
As células a combustível de carbonato fundido funcionam bem com
catalisadores de níquel, mais baratos que a platina, e apresentam uma eficiência de
60%, podendo chegar aos 85% se o calor for aproveitado para gerar eletricidade.
Atualmente, algumas unidades produzem 2 MW, mas existem projetos para
unidades de 50 MW a 100 MW de potência. Duas dificuldades colocam este tipo de
tecnologia em desvantagem, comparativamente a outros tipos de células: a primeira
é a complexidade de trabalhar com um eletrólito líquido, em comparação a um
eletrólito sólido, a outra tem a ver com a reação química dentro da célula. Os íons
do eletrólito são gastos nas reações que ocorrem no ânodo tornando-se
necessário injetar dióxido de carbono no cátodo para compensar (LOPEZ, 2004;
GOMES NETO, 2005; HURLEY, 2004).
−23CO
31
2.2.3.5 CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE ÓXIDO SÓLIDO
A célula a combustível de óxido sólido é atualmente a célula em
desenvolvimento que opera com as mais altas temperaturas, que vão desde os
600.ºC até 1000.ºC. Esta característica possibilita a utilização de uma grande
variedade de combustíveis. Para poder operar a temperaturas tão altas, o eletrólito é
constituído de um material cerâmico, sólido e fino (óxido sólido) que é condutor de
íons de oxigênio. Desde os anos 50 que as células a combustível de óxido sólido
vêm sendo desenvolvidas e têm sido investigadas duas configurações: painel plano
e tubular. O transportador da carga nestas células a combustível é o íon oxigênio
( ). No cátodo, as moléculas de oxigênio provenientes do ar são decompostas em
íons oxigênio e elétrons. Esses íons são conduzidos através do eletrólito e se
combinam com o hidrogênio no ânodo, liberando elétrons. Os elétrons atravessam
um circuito externo fornecendo energia elétrica ao mesmo. As equações 15, 16 e 17
representam as reações no ânodo, no cátodo e a reação global, respectivamente, da
célula a combustível de óxido sólido.
−2O
Reação no ânodo: (15) −− +→+ eOHOH 4222 22
2
Reação no cátodo: (16) −− →+ 22 24 OeO
Reação total na célula: OHOH 222 22 →+ (17)
Este tipo de célula a combustível é a que apresenta maior eficiência, podendo
chegar aos 60%. Além disso, as altas temperaturas de funcionamento permitem a
obtenção de vapor em alta pressão, que pode ser aproveitado em várias aplicações.
Através da combinação de uma célula a combustível de alta temperatura com uma
turbina, pode-se obter uma célula a combustível híbrida com uma eficiência maior
que 70% (LOPEZ, 2004; GOMES NETO, 2005; HURLEY, 2004).
2.2.3.6 CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE MEMBRANA DE TROCA DE PRÓTONS
Este é o tipo de célula a combustível que apresenta a possibilidade de
substituir os motores de combustão interna a diesel e a gasolina dos veículos. Foi
32
esta a tecnologia utilizada pela primeira vez na NASA nos anos 60, no programa
Gemini. As células a combustível com membrana de troca de prótons apresentam
como principal vantagem a sua simplicidade de funcionamento. Estas células
baseiam-se no uso de uma membrana sólida, feita de um polímero permeável aos
prótons quando saturado com água, mas que nestas condições não conduz elétrons.
A principal função da membrana é providenciar uma barreira condutiva iônica ao
gás. Esta membrana é excelente condutora de prótons. No início do seu
desenvolvimento, ácidos fortes, como o ácido sulfúrico concentrado, foram utilizados
para fornecer um contato entre a membrana e as superfícies do catalisador. Durante
os testes concluiu-se que não era necessária a adição de ácido, bastando apenas
manter a membrana hidratada. Os materiais mais utilizados que compõe o polímero
são as membranas perfluoradas ou as membranas com base em hidrogênio e
carbono. A primeira é normalmente constituída de um ácido denominado de ácido
poliperfluorsulfônico e a segunda é constituída de um polímero de polibenzilimida.
O combustível destas células é o hidrogênio e o transportador da carga é o
íon de hidrogênio, o próton. No ânodo, a molécula de hidrogênio é dividida em íons
de hidrogênio e elétrons. Os íons atravessam o eletrólito até ao cátodo enquanto os
elétrons passam pelo circuito externo ao qual fornecem energia elétrica. O oxigênio
do ar é fornecido ao cátodo e combina-se com os elétrons e com os íons de
hidrogênio para formar água. As equações 18, 19 e 20 representam as reações que
ocorrem no ânodo, no cátodo e a reação global, respectivamente, para esta
tecnologia.
Reação no ânodo: (18) −+ +→ eHH 442 2
Reação no cátodo: (19) OHeHO 22 244 →++ −+
Reação total na célula: OHOH 222 22 →+ (20)
Comparativamente aos outros tipos, as células a combustível de membrana
de troca de prótons fornecem maior potência por volume ou massa de célula a
combustível. A elevada densidade de potência faz com que estas células sejam
mais compactas e leves. Além disso, a temperatura de operação é inferior a 100 ºC,
o que proporciona uma resposta rápida durante a entrada do dispositivo em
operação. Estas características, aliadas à possibilidade de variar rapidamente a
33
potência de saída, fazem da célula a combustível de membrana de troca de prótons
a principal candidata às aplicações em automóveis. Os únicos pontos críticos
verificados estão relacionados ao controle de água na membrana para o seu bom
desempenho e a utilização de platina como catalisador, que é um metal caro. A
figura 10 apresenta uma membrana polimérica da empresa Ballard, fabricante de
células a combustível.
FIGURA 10 - MEMBRANA POLIMÉRICA DA BALLARD
FONTE: GOMES NETO (2005)
As vantagens se resumem, então, em uma boa eficiência, em torno de 55%,
alta densidade de potência, pouco peso e pequeno volume, tem o menor custo em
relação às demais tecnologias, a membrana é imóvel o que simplifica a selagem no
processo de produção e reduz a corrosão aumentando a vida útil, possibilita maior
robustez em função do eletrólito sólido e possui a capacidade de seguir as variações
de carga (LOPEZ, 2004; GOMES NETO, 2005; HURLEY, 2004).
2.2.3.7 CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE ZINCO-AR
As células a combustível de zinco-ar combinam algumas características das
outras células a combustível com algumas características das pilhas. A tecnologia
zinco-ar existe há mais de um século. Numa célula a combustível de zinco-ar típica
34
existe pelo menos um eletrodo de difusão de gás, um ânodo de zinco separado por
um eletrólito e separadores mecânicos. O eletrodo de difusão de gás é uma
membrana permeável que permite a passagem do oxigênio atmosférico. Após a
conversão do oxigênio em íons hidróxido e água, estes atravessam o eletrólito e
chegam ao ânodo de zinco. Em seguida, no ânodo, os íons hidróxido reagem com o
zinco e formam óxido de zinco, criando-se então um potencial elétrico. Quando
várias células de zinco-ar são interligadas, o potencial elétrico obtido por esta
combinação é considerável e assim, pode ser usado como fonte de energia elétrica.
Para a célula a combustível de zinco-ar, todas as reações que ocorrem no ânodo
são dadas pelas equações 21 e 22, as que ocorrem no cátodo pelas equações 23 e
24 e a reação global pela equação 25.
Reações no ânodo: (21) −+ ++→+ eHCOOHCH 66224
(22) −+− ++→+ eHZnOOHZn
Reações no cátodo: (23) −−+ →++ OHeHO 2222
(24) OHeHO 22 244 →++ −+
Reação total na célula: OHCOOCH 2224 22 +→+ (25)
Neste tipo de células o eletrólito é um material cerâmico e sólido que utiliza o
íon hidróxido para transporte de cargas. Para atingir uma eficiência considerável,
através do uso de combustíveis baseados em hidrocarbonetos e na alta
condutividade do eletrólito para o transporte de cargas, as células a combustível de
zinco-ar operam a temperaturas próximas de 700 ºC. A elevada temperatura permite
a reforma interna de hidrocarbonetos, eliminando assim a necessidade de reforma
externa. Novamente, o calor gerado nas altas temperaturas pode ser utilizado para
produzir vapor de alta pressão que pode ter aplicações diversas. O eletrólito deste
tipo de célula a combustível tem algumas vantagens sobre os demais eletrólitos: não
necessita de hidratação como a membrana de troca de prótons da tecnologia
PEMFC, eliminando-se assim a necessidade de monitorar os níveis de umidade no
ânodo e no cátodo. Outra vantagem é o fato de o eletrólito ser sólido, o que evita
eventuais fugas observadas para os eletrólitos líquidos. Devido ao fato do ânodo de
zinco ser consumido na reação, torna-se necessária a substituição deste
35
componente em certos intervalos de tempo. Este tipo de célula ainda está em fase
de desenvolvimento (LOPEZ, 2004; HURLEY, 2004).
2.2.3.8
2.2.3.9
CÉLULA A COMBUSTÍVEL REGENERATIVA
As células a combustível regenerativas produzem eletricidade e calor, além
de conseguirem reverter o processo. Ao serem alimentadas com uma corrente
elétrica, uma RFC é capaz de fazer a eletrólise da água, produzindo hidrogênio e
oxigênio, ou seja, uma célula a combustível regenerativa é um sistema integrado de
célula a combustível com um equipamento de eletrólise possibilitando a redução do
peso e dos custos de fabricação, comparativamente aos sistemas dedicados.
O nível de eficiência de uma RFC não é necessariamente menor que dos
outros sistemas. A célula a combustível e o eletrolisador não podem utilizar um
mesmo catalisador. Assim, a eficiência não é máxima nos dois processos. As células
a combustível regenerativas são baseadas na tecnologia PEMFC e, portanto, é
dispensável relacionar as reações químicas novamente. A NASA realizou um projeto
baseado neste tipo de células, o projeto Helios. O Helios é um veículo aéreo
impulsionado por 14 motores elétricos de 1,5 kW, alimentados por painéis solares
durante o dia e pela célula a combustível durante a noite. Durante o dia, a RFC
realiza eletrólise para produzir hidrogênio enquanto que durante a noite o hidrogênio
era utilizado como fonte de energia. Este tipo de célula ainda está em fase de
desenvolvimento (LOPEZ, 2004; GOMES NETO, 2005; HURLEY, 2004).
CARACTERÍSTICAS GERAIS
As características inerentes aos seis tipos de tecnologias mais utilizadas
podem ser observadas, resumidamente, na tabela 2.
36
TABELA 2 - CARACTERÍSTICAS DAS TECNOLOGIAS
Tipo AFC PAFC PEMFC DMFC MCFC SOFC
Eletrólito Hidróxido de
potássio
Ácido
ortofosfórico
Ácido sulfônico
em polímero
Ácido sulfônico
e sulfúrico em
polímero
Mistura de
carbonatos de
lítio e potássio
Zircônia
estabilizada
com ytria
Íon de transporte
Temperatura (°C)
50 - 120 180 - 210 60 - 110 45 - 100 600 - 800 500 - 1000
Eficiência (%)
45 - 65 40 - 50 35 - 55 40 - 50 50 - 65 50 - 65
Reforma do combustível
Externa Externa Externa Não se aplica Externa ou
interna
Externa ou
interna
Combustível H2 H2 ou gás
natural H2 Metanol
gás natural ou
gás de síntese
H2, gás natural
ou gás de
síntese
Densidade de potência
(W/cm²) 0,08 - 0,10 0,17 - 0,30 0,80 - 1,00 0,06 - 0,20 0,10 - 0,50 0,20 - 0,50
Observações Intolerante ao
CO2 (< 50
ppm)
Moderadamente
tolerante ao CO
(< 2%)
Intolerante ao
CO (< 10 ppm)
Intolerante ao
CO (< 20 ppm)
Totalmente
tolerante ao CO
Totalmente
tolerante ao CO
−23CO−OH +H +H +H −2O
FONTE: SERRA ET AL. (2005)
2.3 PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO
2.3.1 HIDROGÊNIO A PARTIR DE COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS
O hidrogênio está presente em todos os combustíveis. Pode ser produzido a
partir do carvão, gasolina, metanol, gás natural e qualquer outro combustível fóssil
disponível. Alguns dos combustíveis fósseis têm maior quantidade de átomos de
hidrogênio na composição molecular de hidrogênio, fazendo deles os melhores
candidatos para o processo de reforma. Uma maior presença de hidrogênio e menor
presença de outras substâncias fazem o processo de reforma mais simples e
37
eficiente. O combustível fóssil que tem a maior proporção de hidrogênio em relação
ao carbono é o gás natural, ou metano (FURIGO JÚNIOR, 2006).
2.3.1.1 REFORMA A VAPOR DO GÁS NATURAL
A produção de hidrogênio a partir do gás natural emprega um processo
conhecido como reforma a vapor. Trata-se de um processo térmico que envolve a
reação do metano ( ), ou outro hidrocarboneto leve, com vapor de água,
processo este realizado em duas fases: numa primeira fase o metano reage com o
vapor de água na presença de um catalisador a elevada pressão de 2,5 MPa (mega
Pascal) e temperatura com cerca de 850 ºC à 950 ºC, de forma a produzir
hidrogênio e monóxido de carbono (CO), de acordo com as seguintes reações
endotérmicas:
4CH
224 3HCOOHCH +→+ (26)
22yx H).y5,0x(CO.xOHHC ++→+ (27)
Os valores de x e y, na equação 27, dependerão da substância utilizada e
também servem para balancear a equação. Numa segunda fase ocorre uma reação
catalítica exotérmica, onde o monóxido de carbono produzido na primeira fase é
combinado com vapor de água de forma a obter dióxido de carbono e hidrogênio,
conforme a equação 28.
222 HCOOHCO +→+ (28)
O balanço final deste processo pode ser expresso pela reação:
2224 42 HCOOHCH +→+ (29)
38
A figura 11 apresenta um sistema utilizado na reforma a vapor do gás natural
para a obtenção de hidrogênio da empresa Linde, fabricante de gases e
combustíveis para indústrias químicas.
FIGURA 11 - SISTEMA DE REFORMA A VAPOR DA LINDE
FONTE: GOMES NETO (2005)
As unidades de reforma a vapor de grandes dimensões têm capacidade para
produzir aproximadamente 1105 m³ de hidrogênio por hora, o que corresponde a
960 GJ/h, com uma eficiência de 70% a 90%. Este é um dos métodos mais eficazes
para a produção de hidrogênio, embora do ponto de vista ambiental este sistema de
produção não seja o mais adequado, uma vez que a emissão de contribui para
o efeito de estufa (LINARDI; ARICÓ, 2001; FUEL CELL STORE, 2006; GOMES
NETO, 2005).
2CO
39
2.3.1.2 OXIDAÇÃO PARCIAL DE HIDROCARBONETOS PESADOS
O processo de reforma por oxidação parcial é um dos métodos mais antigos
de produção de hidrogênio e está se tornando cada vez mais popular. Neste
processo, o combustível reage com uma quantidade limitada de oxigênio para
produzir o hidrogênio de acordo com a equação 30, onde os valores de x e y
dependem da substância utilizada como combustível e também permitem o balanço
desta. Posteriormente, o hidrogênio obtido é purificado.
22yx H2yCO.xO2
xHC +→+ (30)
Na oxidação parcial há uma segunda fase, análoga a descrita no processo de
reforma a vapor, exceto que não há a necessidade de catalisadores neste caso.
Este processo pode ser aplicado em diferentes tipos de hidrocarbonetos, incluindo
combustíveis pesados e hidrocarbonetos sólidos (menos nobres). As reações
ocorrem em uma faixa de temperaturas que variam de 1300 ºC a 1500 ºC e
pressões na ordem de 30 bar a 100 bar, havendo liberação de calor. Atualmente, a
Shell e a Texaco destacam-se na produção de hidrogênio via oxidação parcial.
Devido às suas vastas reservas, o carvão assume um papel importante no
setor energético. Nos países em que há grandes reservas deste combustível, como
é o caso da África do Sul e da China, a oxidação parcial deste minério está
comercialmente bem estabelecida. O processo é análogo ao descrito anteriormente,
contudo, é necessário preparar o carvão, transformá-lo em pó fino e dissolvê-lo em
água de modo a formar uma pasta susceptível de ser bombeada.
Existe um processo denominado de reforma auto-térmica, que é resultante da
combinação da oxidação parcial e da reforma a vapor. Neste processo, os
hidrocarbonetos reagem com uma mistura de oxigênio e vapor num termo-reator e
na presença de um catalisador, ocorrendo, então, trocas de calor entre o processo
endotérmico de reforma a vapor e o processo exotérmico de oxidação parcial. Os
valores de x, y e p, na equação 31 genérica a seguir, dependem da substância
utilizada (FURIGO JÚNIOR, 2006; LINARDI; ARICÓ, 2001).
40
222yx H).2yp2x(CO.xOH)p2x(pOHC +−+→−++ (31)
2.3.1.3 GASEIFICAÇÃO DO CARVÃO
O processo que permite obter hidrogênio a partir da utilização do carvão é a
gaseificação. Consiste na reação térmica deste com vapor de água, resultando num
combustível gasoso, o hidrogênio. De uma forma simples, a reação que traduz a
gaseificação pode ser expressa pela equação 32 (GAUTO, 2004).
22 HCOOHC +→+ (32)
2.3.1.4
2.3.1.5
PIRÓLISE DE HIDROCARBONETOS
A pirólise de hidrocarbonetos consiste na decomposição de hidrocarbonetos
em carbono e hidrogênio, a temperaturas elevadas, utilizando-se como catalisador
uma substância denominada de feltro de carbono. O carbono resultante pode ser
retido, porém, devido à energia necessária para o processo, ocorrem emissões de
carbono.
O carbono retido chamado de carbono preto, de elevada pureza, é usado na
indústria de plásticos, teares e baterias, tendo um bom valor econômico. A produção
de hidrogênio por este processo poderá ser mais barata do que pelo processo de
reforma a vapor (AIRES et al., 2003).
PIRÓLISE DE HIDROCARBONETOS A PLASMA
A reforma de hidrocarbonetos gasosos pode ser auxiliada, ou mesmo
realizada por um arco elétrico que transforma os hidrocarbonetos e outros reagentes
em gás ionizado, ou seja, em plasma, a temperaturas superiores a 1500 ºC.
Na reforma por pirólise a plasma, a energia necessária para que ocorram as
reações é fornecida aos reagentes quando da sua passagem pelo reator, numa
região denominada de arco-plasmático, caracterizada pela presença de descargas
41
elétricas e pela sua alta densidade energética. O uso do plasma permite que a
decomposição do hidrocarboneto em hidrogênio e carbono se faça na ausência de
catalisadores. Este é o primeiro processo utilizando combustíveis fósseis capaz de
produzir uma quantidade mínima de gases de efeito de estufa (GOMES NETO,
2005; AIRES et al., 2003).
2.3.2 HIDROGÊNIO A PARTIR DA ELETRÓLISE
Atualmente apenas 2% do hidrogênio produzido mundialmente provêm da
eletrólise. A eletrólise é um processo que separa os elementos químicos de um
composto por aplicação de uma corrente elétrica. Há uma dissociação do composto
em íons pela passagem de uma corrente elétrica contínua através deste, obtendo-se
ao final do processo os componentes químicos separados. Em muitos casos,
dependendo da substância a ser eletrolisada e do meio em que ocorre a eletrólise,
além da formação dos componentes químicos há também a formação de novos
compostos. O processo da eletrólise é uma reação de oxidação-redução oposta
àquela que ocorre numa pilha sendo, portanto, um fenômeno físico-químico não
espontâneo.
A produção comercial do hidrogênio através deste processo tem uma
eficiência entre 70% e 75% que pode ser melhorada pela adição de sais ao eletrólito
de modo a aumentar a condutividade, bem como utilizar a eletrólise do vapor
substituindo parcialmente a eletricidade por energia térmica. Dado que a quantidade
de energia necessária à produção de hidrogênio é elevada (4,5 a 5 kWh/m³ de
hidrogênio), o seu custo também é elevado, sendo a eletricidade responsável por
dois terços deste custo. Por isso, a produção do hidrogênio por este processo não é
economicamente favorável, porém, com o avanço da tecnologia de células a
combustível, este processo está se tornando cada vez mais eficiente e os custos
cada vez menores. A energia elétrica produzida nas hidrelétricas é de longe a maior
fonte de energia renovável, representando em torno de 92% da energia renovável
produzida e têm grande potencial na produção de hidrogênio através da eletrólise da
água. Por exemplo, o Estado do Quebec, no Canadá, possui uma produção de
energia elétrica, através de hidrelétricas, de 200 TWh/ano. Caso essa energia fosse
utilizada para produzir hidrogênio através da eletrólise da água, cerca de quatro
42
bilhões de quilogramas de hidrogênio poderiam ser produzido por ano, o suficiente
para abastecer 22 milhões de veículos todos os dias do ano.
As leis de Faraday permitem o conhecimento da quantidade de gás que foi
produzido em função da corrente e do tempo no qual ocorreu a eletrólise.
Segundo a 1ª Lei de Faraday: “a massa de uma substância transformada
durante uma eletrólise é diretamente proporcional à quantidade de eletricidade que
atravessa a solução”. Esta lei está expressa nas equações 33 e 34:
QKm ×= 1 (33)
tiQ ×= (34)
onde
m - massa da substância produzida [g];
1K - constante de proporcionalidade determinada experimentalmente;
Q - carga em Coulomb;
i - corrente elétrica [A];
t - tempo de duração da reação [s].
De acordo com a 2ª Lei de Faraday: “a massa de uma substância
transformada durante a eletrólise é diretamente proporcional a sua massa molar
dividida pela variação do equivalente-grama envolvido”. Esta lei está expressa na
equação 35:
EKm ×= 2 (35)
onde
2K - também é uma constante de proporcionalidade;
E - razão entre a massa molar e a variação do Nox da substância envolvida na
reação.
A quantidade de carga elétrica equivalente a 1 mol de elétrons corresponde a
1 Faraday, que é igual a 1 equivalente-grama e 96500 C. Finalmente, a partir das
equações 33 e 35 tem-se a equação fundamental da eletrólise:
43
96500tiEm ××
= (36)
A substância a que se referem as constantes anteriormente indicadas poderia
ser a água, caso a eletrólise fosse desta (GOMES NETO, 2005; NEVES JÚNIOR,
2001; HURLEY; NMSEA, 2004).
2.3.2.1 ELETRÓLISE DA ÁGUA
A eletrólise decompõe a água em seus componentes constituintes, hidrogênio
e oxigênio, através da eletricidade. A decomposição da molécula de água é
realizada passando-se uma corrente elétrica através desta. No eletrodo negativo, o
cátodo, existe uma carga negativa fornecida por uma bateria, da qual resulta numa
corrente elétrica entre a água e o cátodo. No eletrodo positivo, o ânodo, existe uma
carga positiva que atrai os elétrons. Como a condutividade da água é fraca, ao invés
da circulação de corrente ao longo de todo o circuito, as moléculas da água são
separadas em íons hidrogênio e hidróxido, como sugere a figura 12.
FIGURA 12 - ELETRÓLISE DA ÁGUA
FONTE: NEW MEXICO SOLAR ENERGY ASSOCIATION (2004)
44
A eletrólise da água pode ser representada pela seguinte reação:
222 22 HOOHenergia +→+ (37)
Era de esperar que a água se separasse em partículas neutras H e OH, mas
tal não acontece dado que a eletro-negatividade do átomo de oxigênio é muito
superior a do hidrogênio, ou seja, o oxigênio captura o elétron do hidrogênio, ficando
na forma mais estável com suas órbitas todas preenchidas. O +H é capaz de
capturar um elétron do cátodo, doador de elétrons, passando a átomo neutro, de
acordo com a equação 38:
HeH →++ _ (38)
Este átomo de hidrogênio encontra outro átomo de hidrogênio e forma uma
molécula de gás hidrogênio, conforme a equação 39.
2HHH →+ (39)
O íon migra para o ânodo e perde o elétron capturado do hidrogênio. A
produção de oxigênio e de água é conseguida a partir de quatro íons de
acordo com a seguinte reação:
_OH_OH
_
22_ 424 eOHOOH ++→ (40)
A liberação de oxigênio é observada pelas bolhas que surgem na solução.
Assim, um circuito fechado é obtido, envolvendo elétrons no circuito externo e íons
hidróxido na água. A energia cedida pela bateria é armazenada sob a forma de
hidrogênio.
O hidrogênio produzido no processo de eletrólise possui alto grau de pureza,
o que é necessário em aplicações eletrônicas, farmacêuticas e indústrias de
produtos alimentícios. Potencialmente, a eletrólise pode prover maior qualidade
energética através do uso de fontes renováveis de energia não poluentes. Em outras
45
circunstâncias, a eletrólise pode ser associada à geração hidrelétrica para reduzir os
custos da eletrólise (NMSEA, 2004).
2.3.2.2 FOTO-ELETRÓLISE
2.3.3.1
Foto-eletrólise é uma cadeia integrada de conversão da energia luminosa em
elétrica e em energia química pela via eletrolítica. Trata-se de uma combinação de
dispositivos fotovoltaicos, semicondutores e eletrolisadores destinados à produção
de hidrogênio. O foto-eletrolisador é posto em água e quando exposto a luz solar
começa a produzir hidrogênio. O dispositivo fotovoltaico, associado aos
semicondutores, melhora o sistema com um aumento na quantidade de hidrogênio
produzida. O hidrogênio é então coletado e armazenado. Muitas investigações estão
sendo feitas neste campo, como no Estado do Colorado (EUA), no Laboratório de
Energia Renovável (FUEL CELL STORE, 2006).
2.3.3 HIDROGÊNIO A PARTIR DA BIOMASSA
Dado o crescente interesse nas energias renováveis para a redução das
emissões de , a biomassa tem sido alvo de especial interesse por parte da
indústria da energia. A lógica de utilização da biomassa pode passar pela conversão
desta em biogás e gases sintéticos, bem como hidrogênio. Atualmente a produção
bioquímica de hidrogênio através das algas verdes está em estudo.
2CO
Existem três métodos para a produção de hidrogênio a partir da biomassa
que são: a gaseificação a vapor, a pirólise e a hidratação bioquímica (GOMES
NETO, 2005).
GASEIFICAÇÃO A VAPOR
É um processo termoquímico em que a biomassa será decomposta em
monóxido de carbono e hidrogênio. O processo requer altas temperaturas, entre
600.ºC e 1000.ºC e um abastecimento restrito de oxigênio (inferior ao necessário
46
para a combustão), tendo como produtos finais hidrogênio, monóxido de carbono e
gás metano.
Analogamente ao processo de reforma a vapor, num segundo estágio o
monóxido de carbono pode ser transformado em dióxido de carbono. O processo
completo resulta em rendimentos que estão entre 12% e 17% por peso de biomassa
seca. A biomassa utilizada neste processo pode consistir de resíduos florestais
resíduos agrícolas e municipais, lenha, carvão vegetal, e outros. O aproveitamento
de material orgânico, que é uma fonte renovável de energia, como combustível
deste processo, é um dos métodos que promove um crescimento sustentável
(GOMES NETO, 2005; FUEL CELL STORE, 2006).
2.3.3.2
2.3.3.3
PIRÓLISE DE BIOMASSA
É um processo semelhante ao usado na pirólise de hidrocarbonetos, no
entanto, mais complicado devido à complexidade e variedade de biomassa existente
(FURIGO JÚNIOR, 2006).
HIDRATAÇÃO BIOQUÍMICA OU FOTO-BIOLÓGICA
A produção foto-biológica de hidrogênio envolve o uso de luz solar, um
componente biológico e catalisadores. Organismos específicos, como algas e
bactérias, produzem hidrogênio como subproduto de seus processos metabólicos.
Estes organismos geralmente vivem na água e a transforma em seus diversos
componentes. Atualmente, esta tecnologia ainda está em fase de pesquisa e
desenvolvimento e as eficiências teóricas de conversão da luz solar foram avaliadas
em até 24%. Foram identificadas mais de 400 espécies de plantas primitivas capaz
de produzir hidrogênio, das quais 25 transformam monóxido de carbono em
hidrogênio com eficiências de conversão de até 100%.
Numa ocasião, um grupo de pesquisadores descobriu que a alga
“Chlamydomonas Reinhardtii” possui uma enzima chamada de hidrogenase que é
capaz de decompor a água em seus componentes em hidrogênio e oxigênio. Os
pesquisadores conseguiram determinar o mecanismo que inicia e pára este
47
processo, o que poderia conduzir a um método quase ilimitado para produzir
hidrogênio limpo e renovável. As algas precisam de enxofre para crescer e realizar a
fotossíntese. Cientistas descobriram que quando as algas são privadas de enxofre
em um ambiente sem oxigênio, elas revertem o modo de utilização da hidrogenase.
Este mecanismo foi desenvolvido durante milhões de anos de evolução para a
sobrevivência destas algas em ambientes abundantes ou escassos de oxigênio.
Uma vez no ciclo da escassez de oxigênio, as algas liberam hidrogênio e não
oxigênio. Mais pesquisas são necessárias para melhorar a eficiência deste sistema,
bem como o restante desta metodologia de produção de hidrogênio (FURIGO
JÚNIOR, 2006).
2.3.4 PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
A energia solar é a principal fonte de energia para a atmosfera terrestre. Em
um dia claro, a potência luminosa ao nível do solo é de aproximadamente
1000.W/m². A radiação solar pode ser utilizada sob a forma de energia térmica cujo
calor pode ser aproveitado para algum fim específico, inclusive na geração de
energia elétrica. Outra opção é a conversão dos fótons de luz, componentes da
radiação solar, diretamente em eletricidade através de uma transformação
fotovoltaica. Esta conversão tem como base o efeito fotoelétrico.
A utilização de painéis fotovoltaicos para o fornecimento de energia elétrica
fica cada vez mais evidente em vista as atuais reformas do sistema elétrico e as
recentes regulamentações ambientais. O consumo sempre crescente de energia
elétrica, as dificuldades para inclusão de diversas regiões ao sistema centralizado de
energia e seus elevados custos de implementação são fatores que motivam a
utilização de painéis fotovoltaicos em sistemas de geração distribuída de energia
elétrica. O elevado custo da produção fotovoltaica ainda se coloca como um
obstáculo. Altos investimentos são efetuados neste setor, não somente com a
finalidade de reduzir os custos de produção, mas também com o intuito de aumentar
a eficiência dos painéis fotovoltaicos fabricados. Atualmente, painéis fotovoltaicos
comerciais possuem uma eficiência próxima dos 15%, podendo atingir 25% para
painéis fotovoltaicos especiais.
48
Em comparação a outros sistemas de energia renovável, os painéis
fotovoltaicos têm vantagens como facilidade de implantação e manutenção. Esta
última, praticamente não se faz necessária, pois não há desgastes nas partes
móveis externas e é um sistema com baixa probabilidade de defeito. Apenas uma
limpeza periódica é suficiente. Pode-se expandir o sistema gradualmente
simplesmente pela adição de painéis, considerando que outros sistemas requerem
técnicas aperfeiçoadas para suas modificações, o que torna os custos mais
elevados. Isto não significa que um sistema de painéis fotovoltaicos é mais barato,
mas significa que é possível adaptá-lo em um orçamento modesto em diversos
casos.
FIGURA 13 - SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO/FOTOVOLTAICO
FONTE: GREENPRO (2004)
Uma questão relacionada ao aproveitamento de energia é a intermitência de
fornecimento, sendo necessário um meio de armazenamento da energia produzida,
de forma a cobrir o consumo dos períodos sem irradiação solar. Assim, além de
painéis fotovoltaicos, outras fontes renováveis de energia como a geotérmica,
marítima, hídrica, eólica, entre outras, podem ser utilizadas na produção de
hidrogênio. Qualquer uma destas fontes pode ser combinada com painéis
fotovoltaicos em um sistema híbrido, de forma a se complementarem. A figura 13
apresenta um sistema híbrido composto de painéis fotovoltaicos e turbina eólica
(GOMES NETO, 2005; HURLEY; GREENPRO, 2004).
49
2.3.4.1 TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
A unidade básica que produz eletricidade em um sistema fotovoltaico de
geração de energia é a célula fotovoltaica, ou célula solar. Podem ser feitas células
solares de uma variedade de materiais diferentes, porém, a célula solar de silício é a
mais comum, bem desenvolvida e prontamente disponível.
O silício é um semicondutor de estado sólido que produz eletricidade em
corrente contínua quando estimulado através de fótons. Os três tipos disponíveis de
células solares de silício são: a célula de cristal único, a célula policristalina e a
célula de película fina ou amorfa. Cada tipo de célula solar é apresentado nas
figuras seguintes.
FIGURA 14 - CÉLULA SOLAR DE CRISTAL ÚNICO
FONTE: GREENPRO (2004)
FIGURA 15 - CÉLULA SOLAR POLICRISTALINA
FONTE: GREENPRO (2004)
50
FIGURA 16 - CÉLULA SOLAR AMORFA
FONTE: GREENPRO (2004)
Destes três tipos, a célula de cristal único é a mais eficiente na conversão de
energia, por área de superfície exposta. A policristalina é a segunda mais eficiente, e
a amorfa é a menos eficiente do grupo. As células de cristal único são as mais
caras, a policristalina vem em seguida, já apresentando viabilidade comercial e a
amorfa é a mais barata das três.
Na prática, as células policristalinas são ligeiramente menos eficientes do que
as células de cristal único e as células do tipo amorfas apresentam metade da
eficiência das células de cristal único, aproximadamente, para uma mesma área
exposta. Embora as células amorfas sejam uma alternativa de menor custo entre os
três tipos, elas não têm um bom rendimento para a produção de hidrogênio
(HURLEY; GREENPRO, 2004).
2.3.4.2 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO
Basicamente, uma célula solar é uma lâmina semicondutora de grande área,
contendo em seu interior regiões de carga espacial que dão origem a um campo
elétrico, sendo este responsável pela separação do par elétron-lacuna. A energia do
fóton é responsável pela criação deste par. Quando elétrons e lacunas são
separados, através do campo elétrico, uma corrente elétrica é obtida.
Os átomos dos sólidos cristalinos, ou semicondutores, possuem um arranjo
periódico, o que modifica os níveis energéticos dos elétrons pertencentes às
camadas mais externas. Nos semicondutores, verificam-se ainda a presença de
51
bandas de energia eletrônica permitida e bandas de energia eletrônica proibida. Na
prática, trabalha-se com as bandas cujos elétrons são menos ligados ao núcleo.
A banda de valência, por corresponder a um nível menos energético, conterá
normalmente a maioria dos elétrons que, se excitados com energia suficiente para
superar a banda proibida, alcançarão a banda de condução deixando na banda de
valência vestígios de sua ausência chamados de lacunas.
A largura da banda proibida é um parâmetro que caracteriza cada
semicondutor e seu valor corresponde à diferença energética entre as bandas de
condução e valência. Essa diferença é denominada de energia de gap do
semicondutor, definida como a mínima energia a ser absorvida pelo elétron para
deixá-lo no estado excitado. Gap é o nome mais usual dado ao espaço vazio entre
as bandas de energia, ou seja, corresponde a uma lacuna.
O valor da energia de gap do silício é de 1,1 eV. Este valor corresponde à
energia dos fótons do infravermelho próximo. Fótons com energia maior ou igual à
energia de gap do semicondutor serão capazes de excitar os elétrons. Por sua vez,
estes alcançarão as bandas de condução tornando possível a obtenção de uma
corrente elétrica. Haverá perdas sob forma de calor, caso os fótons possuam uma
quantidade de energia maior que a energia de gap do semicondutor. O total de
perdas no silício corresponde a aproximadamente 30% da energia luminosa total
aplicada (RIBAS, 2005; HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 1995).
2.3.4.3 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS
Cada célula solar, independente das suas dimensões, apresenta um potencial
em torno de 0,5 V, pouco mais ou pouco menos, dependendo da célula. As
dimensões influem apenas na corrente elétrica. Por exemplo, quanto maior a área
da superfície da célula solar, maior é a corrente elétrica que pode ser obtida,
entretanto, o potencial permanece invariável. Na construção de um ESPM
(Electrolyser Specific Photovoltaic Module), que significa Módulo Fotovoltaico
Específico para Eletrolisador, com o objetivo de economizar tempo e trabalho, são
utilizadas células solares de grandes dimensões.
Os fatores que afetam a eficiência de uma célula solar são as características
físicas, de acordo com os processos tecnológicos de fabricação, o nível de radiação
52
incidente e a temperatura. A intensidade de luz incidente em uma célula solar variará
devido a particularidades como a umidade do ar, eventuais nuvens, variações do
ângulo de incidência de luz devidas à posição variável do sol, e outras. Em relação à
temperatura, quando esta aumenta, há uma redução na eficiência das células. A
potência elétrica fornecida pelo painel fotovoltaico, constituído de arranjos de células
solares, também será afetada por estes fatores.
A eficiência da transformação fotovoltaica (η) é definida como a razão entre a
potência elétrica máxima fornecida, pela irradiação incidente sobre o painel, de
acordo com a equação seguinte (HURLEY; GREENPRO, 2004):
IAPMAX
.=η (41)
onde
PMAX - potência elétrica no ponto de máximo fornecimento do painel [W];
A - área efetivamente ocupada pelo material semicondutor [m2];
I - intensidade da irradiação luminosa incidente sobre esta área [lm/m2].
2.3.4.4 ELEMENTOS DE CONSTRUÇÃO
Embora não seja sempre o caso, em uma célula solar a superfície frontal é
negativa e o lado oposto é positivo. É necessário conectar células fotovoltaicas em
série ou em paralelo para aumentar a geração de energia elétrica. Uma célula solar
possui uma tensão de trabalho muito pequena, o que faz necessário o uso de
arranjos em série e paralelo para obter tensões e correntes adequadas às
finalidades destinadas.
Quando as células estiverem conectadas em série, o terminal negativo da
célula estará conectado com o terminal positivo da próxima célula. Neste tipo de
conexão soma-se a tensão de cada célula. Para ligação em paralelo, os terminais
negativos, correspondentes às faces frontais das células, são interligados, fazendo-
se o mesmo para os terminais negativos, correspondentes às faces traseiras. Com
este arranjo, a tensão permanece a mesma e as correntes são somadas.
53
A conexão de duas ou mais células forma uma seqüência. Uma seqüência de
células solares pode ser conectada em série ou em paralelo com outra seqüência.
Os painéis fotovoltaicos são constituídos por conjuntos destes arranjos, ou
seqüências. Os painéis fotovoltaicos também podem ser agrupados em série ou em
paralelo, formando diferentes arranjos, de acordo com as necessidades. A figura
seguinte apresenta um destes arranjos (HURLEY; GREENPRO, 2004).
FIGURA 17 - ARRANJO DE CÉLULAS SOLARES EM PARALELO
FONTE: HURLEY (2004)
2.3.4.5 TAREFAS ESPECÍFICAS
Todos os painéis fotovoltaicos são classificados de acordo com a sua função
específica. Isto significa que todo painel fotovoltaico é projetado para executar uma
tarefa particular. A maioria dos painéis fotovoltaicos vendidos comercialmente é do
tipo BSPM (Battery Specific Photovoltaic Module), que significa módulo fotovoltaico
específico para bateria. São projetados para carregar apenas sistemas de baterias.
Estes painéis fornecem tensões de 12 V, 24 V e 48 V. Os valores de corrente variam
entre 2 A e 10 A.
Para suprir exclusivamente as exigências de energia dos sistemas de
eletrolisadores utiliza-se o ESPM, comentado anteriormente, projetado para este fim.
Para esta aplicação em particular, este tipo de painel fotovoltaico produz energia de
forma mais eficiente e econômica.
O BSPM produz tensões mais altas e correntes mais baixas e o ESPM
produz correntes mais altas e tensões mais baixas. O BSPM também pode ser
usado de forma eficaz caso seja utilizado para fornecer energia a um banco de
eletrolisadores, ao invés de apenas um. Por exemplo, dois BSPM conectados em
54
paralelo fornecerão energia suficiente para alimentar três eletrolisadores conectados
em série. Para obter maior valor de corrente seria necessário acrescentar painéis
ligados em paralelo (HURLEY, 2004).
2.4 ARMAZENAMENTO DE HIDROGÊNIO
Uma que vez o hidrogênio é produzido, o mesmo pode ser armazenado de
vários modos, cada um com vantagens e desvantagens específicas. Os critérios
globais para escolher um método de armazenamento consideram fatores como
segurança e facilidade de utilização. A figura 18, de forma a melhor ilustrar o
assunto, apresenta uma estação de armazenamento de hidrogênio em Hamburg, na
Alemanha.
FIGURA 18 - ESTAÇÃO DE ARMAZENAMENTO DE HIDROGÊNIO EM HAMBURG
FONTE: NORBECK (2003)
Os diferentes métodos de armazenamento de hidrogênio disponíveis
atualmente são (FUEL CELL STORE, 2006):
• hidretos metálicos;
• hidrogênio comprimido;
• hidrogênio líquido;
• hidrogênio armazenado quimicamente;
55
• nanotubos de carbono;
• micro-esferas de vidro;
• portador líquido de hidrogênio.
2.4.1 HIDRETOS METÁLICOS
Os hidretos metálicos são combinações específicas de ligas metálicas cujo
funcionamento é semelhante a uma esponja que absorve a água. Hidretos metálicos
têm a capacidade de absorver hidrogênio e liberá-lo posteriormente, a temperatura
ambiente ou por aquecimento do cilindro em que está contido. O total de hidrogênio
absorvido é geralmente entre 1% a 2% do peso total do recipiente. Alguns hidretos
metálicos são capazes de armazenar entre 5% a 7% do próprio peso deles, mas só
quando aquecidos a temperaturas iguais ou maiores que 250 °C. A percentagem de
gás absorvida, relativamente ao volume do metal, ainda é baixa, porém, os hidretos
metálicos oferecem uma valiosa solução para o armazenamento de hidrogênio.
Os hidretos metálicos oferecem a vantagem de armazenar hidrogênio com
segurança, a uma pressão constante. A vida útil de um tanque de hidretos metálicos
está diretamente ligada à pureza do hidrogênio armazenando. As ligas agem como
uma esponja que absorvem hidrogênio e ainda absorvem as impurezas introduzidas
no tanque, ao armazenar o hidrogênio. O resultado é que ao se utilizar o hidrogênio
do tanque, o mesmo apresenta maior pureza do que quando foi armazenado, porém,
a vida útil do tanque e sua capacidade de armazenamento ficam reduzidas com as
impurezas depositadas que preencherá os espaços do metal que o hidrogênio
ocupou (FUEL CELL STORE, 2006).
2.4.2 HIDROGÊNIO COMPRIMIDO
O hidrogênio pode ser comprimido em tanques de alta pressão. Este
processo exige energia para ser realizado e o volume que o gás compactado ocupa
é normalmente bastante grande, com uma densidade de energia por volume mais
baixa quando comparado a um tanque de gasolina tradicional. Um tanque de gás de
56
hidrogênio que contém uma quantidade de energia equivalente a um tanque de
gasolina, é mais de 3000 vezes maior que o tanque de gasolina.
Compactar ou liquefazer o gás é caro. O hidrogênio pode ser compactado em
tanques de alta pressão onde cada pé cúbico adicional comprimido no mesmo
espaço requer um aumento de pressão de 14,7 psi. Tanques de alta pressão
alcançam uma pressão de 10000 psi, devendo ser testados periodicamente serem
fiscalizados por questões de segurança (NORBECK, 2003; GOMES NETO, 2005).
2.4.3 HIDROGÊNIO LÍQUIDO
É possível obter hidrogênio no estado líquido a temperaturas extremamente
baixas. O hidrogênio líquido tem que ser armazenado a 20 K ou -253 °C. O processo
de resfriamento e compactação requer energia, resultando em um prejuízo líquido
de aproximadamente 30% da energia total que o hidrogênio poderia armazenar. Os
tanques de armazenamento, ou cilindros de armazenamento, são isolados
termicamente para preservar a temperatura e são reforçados para armazenar o
hidrogênio líquido em baixa de pressão.
A margem de segurança relativa ao armazenamento de hidrogênio líquido é
uma questão de manter a integridade do tanque e preservar as temperaturas que o
hidrogênio líquido requer. A energia requerida no processo de liquefação do
hidrogênio e armazenamento nos tanques é um processo que se torna muito caro
quando comparado com outros métodos. Pesquisas no ramo de armazenamento do
hidrogênio líquido estão direcionadas ao desenvolvimento de tanques feitos de
materiais compostos, resultando em maior resistência mecânica e menos peso. Há
também pesquisas que propõe melhorias nos processos de liquefação do hidrogênio
(NORBECK, 2003; FUEL CELL STORE, 2006).
2.4.4 HIDROGÊNIO QUIMICAMENTE ARMAZENADO
Como o elemento mais abundante do universo, o hidrogênio é encontrado
freqüentemente em numerosos compostos e substâncias químicas. Muitos destes
compostos são utilizados como meios de armazenamento de hidrogênio, como
57
alguns tipos de polímeros, onde se conseguiu armazenar até 8% de hidrogênio em
relação ao peso total, substâncias como o tetraborohidreto de sódio e outras.
O hidrogênio é combinado em uma reação química criando um composto
estável, onde o mesmo fica armazenado. Uma segunda reação acontece, liberando
o hidrogênio que é coletado e utilizado por uma célula de combustível. A reação
exata empregada varia em função do composto de armazenamento. Outra aplicação
desta técnica é a decomposição de compostos ricos em hidrogênio como a amônia,
metanol, e outros. Estes métodos eliminam a necessidade de uma unidade de
armazenamento especial para o hidrogênio (GOMES NETO, 2005; NORBECK,
2003; FUEL CELL STORE, 2006).
2.4.5 NANOTUBOS DE CARBONO
Nanotubos de carbono são tubos microscópicos de carbono, de dois
nanômetros (um bilionésimo de metro), que possuem poros microscópicos onde o
hidrogênio se aloja. Semelhante aos hidretos metálicos, a vantagem dos nanotubos
de carbono é o montante de hidrogênio que eles podem armazenar. Os nanotubos
de carbono são capazes de armazenar de 4,2% a 6,5% do próprio peso deles em
hidrogênio. O Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) declarou que
estes materiais de carbono precisam ter uma capacidade de armazenamento de
6,5% do seu próprio peso para tornar viável a sua aplicação no setor de transportes.
Os nanotubos de carbono e sua capacidade de armazenamento de hidrogênio estão
em fase final de desenvolvimento, porém, as pesquisas permanecem visando
otimizar ainda mais esta tecnologia. A pesquisa desta tecnologia promissora
focaliza, também, melhoras técnicas na industrialização e redução de custos
(NORBECK, 2003; FUEL CELL STORE, 2006).
2.4.6 MICRO-ESFERAS DE VIDRO
Podem ser usadas esferas de vidro minúsculas e ocas para armazenar
hidrogênio com segurança. As esferas de vidro são aquecidas aumentando a
permeabilidade da sua superfície, sendo então imersas no gás de hidrogênio, em
58
alta pressão. Posteriormente, as esferas são resfriadas, mantendo o hidrogênio
armazenado em seu interior. Um subseqüente aumento de temperatura poderá
liberar o hidrogênio das esferas, para efetiva utilização.
As micro-esferas são resistentes à contaminação, têm o potencial de serem
muito seguras e armazenam hidrogênio em baixa pressão, o que aumenta a
margem de segurança (NORBECK, 2003; FUEL CELL STORE, 2006).
2.4.7 PORTADOR LÍQUIDO DE HIDROGÊNIO
Este é o termo técnico utilizado para o armazenamento de hidrogênio através
de combustíveis fósseis líquidos. Sempre que gasolina, metanol de gás natural e
outros compostos líquidos de combustíveis fósseis forem utilizados como fonte de
obtenção do hidrogênio, deverá ocorrer o processo de reforma deste combustível,
caso seja de interesse. O processo de reforma remove o hidrogênio do combustível
fóssil original. O hidrogênio reformado é então purificado, eliminando-se o monóxido
de carbono excedente que poderia danificar certos tipos de células a combustível
(NORBECK, 2003; FUEL CELL STORE, 2006).
2.5 ELETROLISADORES
Um eletrolisador é um dispositivo eletroquímico simples que, como já
mencionado no processo da eletrólise, dissocia as moléculas de água em seus
constituintes, oxigênio e hidrogênio. Uma fonte de corrente contínua deve ser
conectada aos seus eletrodos para o seu funcionamento. Quanto maior a corrente,
maior será o volume de gás produzido, dentro de certos limites, como a saturação
da solução do eletrólito, ou limites impostos pelos equipamentos.
O eletrolisador é um dos componentes utilizado para obter o gás hidrogênio.
Alguns eletrolisadores, atualmente empregados na produção de hidrogênio, utilizam
as mesmas tecnologias das células a combustível, sendo estes os abordados neste
referencial teórico.
Existem diversos tipos de eletrolisadores: de alta temperatura, alta pressão,
baixa temperatura, baixa pressão, de eletrólito líquido e de eletrólito sólido. Para a
59
produção de hidrogênio em um sistema que utiliza painel solar, são preferidos os
eletrolisadores de baixa pressão, baixa temperatura e eletrólito líquido, porque,
quando comparados aos custos dos eletrolisadores de alta temperatura, alta
pressão e eletrólito sólido, àqueles são sistemas mais baratos de fabricar e manter.
Alem disso, os eletrolisadores de alta pressão e alta temperatura consomem
quantidades mais altas de energia e necessitam de monitoramento intensivo do
sistema. Os três tipos de tecnologias mais empregadas na construção de
eletrolisadores são: eletrólito alcalino de hidróxido de potássio, membrana polimérica
de troca de prótons e óxido sólido, analogamente às tecnologias AFC, PEMFC e
SOFC, respectivamente, já comentadas no tópico referente às células a
combustível. Portanto, não será necessária uma descrição minuciosa destas
tecnologias, pois as mesmas já foram apresentadas e detalhadas.
A tecnologia da membrana de troca de prótons pode ser empregada em
sistemas de eletrolisadores com a finalidade de substituir os materiais corrosivos,
como um fator de segurança, além de não ser necessário o monitoramento
freqüente do eletrólito líquido, como ocorre nos eletrolisadores alcalinos.
Os eletrolisadores de membrana de troca de prótons (PEM) são mais caros
que os alcalinos. Quando os eletrolisadores PEM apresentam problemas ou falhas,
devido ao desgaste da membrana, ou quando há degeneração do catalisador,
ambos os problemas apresentam custos elevados de manutenção devido aos altos
custos das peças de reposição.
Por outro lado, eletrolisadores alcalinos usam um eletrólito barato e também
eletrodos de baixo custo como níquel, que é de fácil de obtenção e substituição.
Eventualmente, com as alternativas e as freqüentes reduções dos custos das
membranas e dos catalisadores, eletrolisadores PEM virão a ser, provavelmente,
mais utilizados que os alcalinos.
Os eletrolisadores SOFC são também conhecidos como eletrolisadores a
vapor de alta temperatura. São pouco utilizados devido à tecnologia ainda estar em
fase de pesquisas. Os preços destes eletrolisadores ainda são elevados, porém,
estão reduzindo. A maior vantagem destes, em relação aos demais, é um menor
consumo de energia por volume de hidrogênio produzido.
Pequenos eletrolisadores apresentam vantagens em relação aos
eletrolisadores grandes, que está na possibilidade utilizá-lo na geração distribuída
para produção de hidrogênio e o favorecimento da produção sob demanda, evitando
60
a necessidade de armazenar grandes quantidades, o que diminui os riscos de
acidentes (HURLEY, 2004).
2.5.1 ELETROLISADOR ALCALINO
A eletrólise neste tipo de eletrolisador é realizada pela aplicação de uma
tensão baixa e uma corrente contínua em uma solução de eletrólito alcalino, que
consiste em hidróxido de potássio (KOH), também conhecido como soda cáustica e
água destilada. O hidróxido de potássio é um eletrólito forte. Isto significa este é
completamente ionizado em solução sendo então, um bom condutor de eletricidade.
Podem ser usados outros eletrólitos, mas eles não são tão condutivos quanto
o KOH. O ácido sulfúrico, também pode ser utilizado como eletrólito, porém, este é
corrosivo podendo danificar os eletrodos e este desgaste, somado a outros fatores,
reduz a sua aplicação. O KOH é a melhor escolha para eletrolisadores alcalinos,
pode ser obtido facilmente e seu custo é relativamente baixo.
A água deve ser destilada, pois os minerais dissolvidos poderiam, com o
passar do tempo, entupir os eletrodos diminuindo o rendimento do eletrolisador.
Os eletrodos são submersos em um tanque contendo uma solução de
hidróxido de potássio (KOH). O tanque contém tubos que coletam os gases gerados.
O hidrogênio é produzido no eletrodo negativo e o oxigênio é produzido no eletrodo
positivo.
Há muitos fatores que determinam o volume de hidrogênio e oxigênio
produzidos pelo eletrolisador. As considerações mais importantes são:
• a concentração de KOH na solução eletrolítica;
• a área de superfície dos eletrodos;
• a distância física entre os eletrodos;
• a intensidade de corrente DC aplicada.
Uma porcentagem maior de KOH em solução aumenta a condutividade. O
máximo rendimento é obtido para uma concentração de 29.4% de KOH. Para
concentrações maiores ocorre a saturação da solução e, portanto, não aumenta o
61
rendimento. Para o melhor rendimento deve haver também um controle da massa
específica e da pressão.
Quanto maior a área de superfície do eletrodo, maior será a produção de gás,
porém, maior deverá ser a corrente necessária para realizar a eletrólise. A produção
de hidrogênio está relacionada com a densidade de corrente. Esta é calculada
dividindo-se a corrente pela área do eletrodo, sendo expressa em A/m². Cada
eletrolisador tem seus próprios parâmetros operacionais em relação a sua maior
eficiência.
Os dois eletrodos utilizados neste tipo de eletrolisador são normalmente feitos
de níquel puro, ou de uma liga de ferro e níquel, ou de aço inox, ou de uma liga de
níquel-cobre-ferro, conhecida como monel, ou de uma liga de níquel-alumínio,
conhecida como níquel de raney.
Este eletrolisador opera em temperaturas entre 50 °C a 100 °C, em pressões
entre 3 bar a 30 bar, tendo um consumo médio de energia elétrica de 4 kWh/m³ de
hidrogênio produzido e sua vida útil média é de 20 anos. A eficiência global,
aproveitando-se o calor gerado, é em torno de 75% a 90% (HURLEY, 2004;
NORBECK, 2003).
2.5.2 ELETROLISADOR DE MEMBRANA DE TROCA DE PRÓTONS
O princípio de funcionamento do eletrolisador de membrana de troca de
prótons é análogo ao da célula a combustível PEMFC, exceto que, neste caso, o
processo inverso ocorre, ou seja, o hidrogênio é produzido através da aplicação de
uma corrente elétrica. Os tipos de eletrodos utilizados neste eletrolisador podem ser
baseados em grafite ou em uma mistura grafite-titânio com sistema catalítico de
platina associada a rutênio e óxido de irídio. A água utilizada na eletrólise deve ser
deionizada para evitar a contaminação da membrana.
A temperatura de operação deste tipo de eletrolisador está entre 80 ºC a
100.ºC, as pressões entre 1 bar a 70 bar e o consumo médio de energia elétrica em
torno de 6 kWh/m³ de hidrogênio produzido. Atualmente, o maior eletrolisador de
membrana polimérica de troca de prótons necessita de 2,3 MW para produzir
1046.kg de hidrogênio por dia. A eficiência global, incluindo o aproveitamento do
62
calor produzido, situa-se em trono de 80% a 90% e sua vida útil é de
aproximadamente 17 anos.
A figura 19 mostra um eletrolisador PEM destinado a fins didáticos. As partes
inferiores dos tubos contém água deionizada e estão ligadas ao ânodo e ao cátodo,
respectivamente. Água deionizada é água pura, com ausência de íons de sais
minerais, por isso o nome. Quando ocorre o processo da eletrólise, a pressão na
parte inferior dos tubos aumenta. Então, parte da água é purgada para parte
superior dos tubos de forma a manter o equilíbrio entre a pressão interna e externa.
Os gases hidrogênio e oxigênio sairão pelos respectivos canais de saída dos tubos.
Eletrolisadores de grande porte apresentam o mesmo princípio de funcionamento.
Um desafio da área tecnológica é o desenvolvimento de grandes eletrolisadores e
melhora do seu volume de produção (NORBECK, 2003; GOMES NETO, 2005;
NEVES JÚNIOR, 2001; NMSEA, 2004; BRASIL H2 FUEL CELL ENERGY, s.d.).
FIGURA 19 - ELETROLISADOR PEM
FONTE: BRASIL H2 FUEL CELL ENERGY (S.D.)
63
2.5.3 ELETROLISADOR DE ÓXIDO SÓLIDO
O princípio de funcionamento do eletrolisador de óxido sólido, também
conhecido como eletrolisador de vapor de alta temperatura, é análogo ao da célula a
combustível de óxido sólido (SOFC), entretanto, a análise é feita de maneira inversa,
ou seja, a partir de uma corrente elétrica aplicada à água obtêm-se os gases
hidrogênio e oxigênio.
Esta tecnologia, ainda em fase de desenvolvimento para aplicação em
eletrolisadores, apresenta vantagens em relação ao consumo de energia elétrica na
produção de hidrogênio e tende a se tornar mais barata em função de suas
aplicações em alta temperatura, onde o catalisador utilizado é um material mais
barato, como o níquel, por exemplo, em relação à platina utilizada nos
eletrolisadores PEM.
Os eletrodos deste tipo de eletrolisador são constituídos de níquel ligado a
outros elementos como o zircônio, manganês e cromo.
A temperatura de operação deste eletrolisador encontra-se entre 800 ºC e
1000 ºC, com um consumo médio de energia elétrica de 3 kWh/m³ de hidrogênio
produzido e eficiência global, com o aproveitamento do calor, entre 80% e 90%. Em
relação à pressão de operação e a vida útil, não há certezas devido às pesquisas
ainda não estarem finalizadas (HURLEY, 2004; NORBECK, 2003).
2.5.4 CARACTERÍSTICAS DOS ELETRODOS
Um cuidado relevante é quanto à constituição dos eletrodos, pois devem ser
compostos de material inerte, ou seja, não devem ser consumidas na reação
química. Quanto ao espaçamento dos eletrodos nos eletrolisadores, alguns fatores
devem ser considerados. Quanto mais próximo os eletrodos estiverem, maior é a
produção de gás, porém, há um maior risco de misturar os gases, mesmo se for
usada a membrana polimérica, nos casos dos eletrolisadores de membrana de troca
de prótons. Alguns eletrolisadores comerciais sacrificam a pureza do gás para aumentar
a eficiência elétrica, mantendo os eletrodos pouco espaçados, por isso, é necessário
adicionar um equipamento de purificação de gás ao término do processo de
64
eletrólise, aumentando os custos de produção. Uma solução para este problema é
aumentar a distância entre os eletrodos, sacrificando a eficiência elétrica (HURLEY,
2004).
2.5.4.1
2.5.4.2
ELETRODOS POROSOS DE LIGA DE NÍQUEL-ALUMÍNIO
Eletrodos porosos de liga de níquel-alumínio, também conhecidos como
eletrodos de níquel de raney, em homenagem ao cientista Murray Raney quem
descobriu este material, são freqüentemente usados em eletrolisadores. O níquel de
raney é uma liga metálica composta por 50% de alumínio e 50% de níquel. Esta
combinação é submersa em uma solução de hidróxido de potássio que corrói o
alumínio tornando o níquel poroso.
O eletrodo deste material possui uma área de superfície grande devido à
porosidade, conseqüentemente, produzirá um maior volume de gás quando
comparados aos eletrodos de chapa ou de tela, os quais serão descritos
oportunamente. Embora o eletrodo de níquel de raney seja preferido na construção
de eletrodos, este é mais caro que outros materiais. A textura porosa também age
como um filtro para pequenas partículas. O sedimento que fica depositado diminui a
área da superfície ativa com o passar do tempo, inibindo a formação de gás e assim,
reduzindo sua eficiência (HURLEY, 2004).
ELETRODOS DE CHAPAS PLANAS E SUPERFÍCIE PREPARADA
A área da superfície do eletrodo de chapas planas pode ser aumentada,
lixando ou aplicando jato de areia na chapa, melhorando assim, a eficiência na
produção de gás. Os eletrodos de chapas planas simples e lixadas têm menos área
de superfície que o eletrodo de níquel de raney, porém eles têm uma área de
superfície maior que a de um eletrodo de chapa plana comum. Além de serem
baratos, estes eletrodos podem ser recuperados facilmente bastando lixar a
superfície da chapa em diversas direções para se obter a maior área possível.
Assim, aumenta-se o tempo em operação e a durabilidade deste eletrodo (HURLEY,
2004).
65
2.5.4.3 ELETRODOS DE TELA DE MALHA FINA
Uma alternativa para construção do eletrodo é em forma de uma tela de
malha fina. Este eletrodo possui uma área de superfície maior que a do eletrodo de
chapa plana preparada e não é facilmente entupido, como é o caso do eletrodo de
níquel de raney. Na confecção da tela podem ser usados o aço inox 316, o monel ou
o níquel como matéria prima. O níquel é mais caro, assim, o aço inox 316 ou o
monel são boas alternativas para a construção das telas. Ainda assim, a melhor
opção é o monel, formado a partir de uma liga de 65% de níquel, 33% de cobre e
2% de ferro. Esta liga tem excelente resistência à corrosão em soluções alcalinas e
tem grande durabilidade (HURLEY, 2004).
2.6 EFICIÊNCIA DE ELETROLISADORES E CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
A eficiência (η ) de uma célula a combustível operando reversivelmente é
dada ela equação 42:
IDEAL
REAL
VV
HG .83,0
=ΔΔ
=η (42)
onde
GΔ - variação da energia livre de Gibbs;
HΔ - variação da entalpia da reação de oxidação do hidrogênio.
A equação 43 apresenta a reação de oxidação do hidrogênio:
OHOH 222 21 →+ (43)
A energia livre de Gibbs (G ) é definida por:
STHG .−= (44)
onde
66
H - entalpia [J/mol];
T - temperatura [K];
S - entropia [J/K].
A variação da energia livre de Gibbs a uma temperatura constante, para a
reação química considerada pode ser escrita de acordo com a equação 45.
STHG Δ−Δ=Δ . (45)
onde
HΔ - variação da entalpia da reação química que ocorre na célula a combustível;
ST Δ. - medida do calor absorvido pelo sistema durante um processo reversível.
A variação da energia livre de Gibbs ( GΔ ) é dada pela equação 46.
])1(
).[ln(.)..( 0
00
000 −
+Δ−ΔΔ
−Δ=ΔTT
TTTc
TGHT
HG P (46)
onde
0HΔ - variação de entalpia à temperatura de 298 K e à pressão de 1 atm; 0T
0GΔ - variação da energia livre de Gibbs a 298 K e 1 atm;
T - temperatura da célula a combustível em K;
Pc - calor específico referido à substância;
PcΔ - variação do calor específico molar à pressão constante, em kJ/ kg.K.
A variação do calor específico molar pode ser calculada a partir dos calores
específicos molares da água, hidrogênio e oxigênio, conforme a equação 47:
)(.21)()( 222 OcHcOHcc PPPP −−=Δ (47)
Se a água na forma líquida for o resultado da reação de oxidação do
hidrogênio, sob condições normais de temperatura e pressão (25 ºC, 1 atm), GΔ e
HΔ são respectivamente iguais a 237,1 kJ/mol e 285,8 kJ/mol, onde a eficiência
atinge um valor de 83%. A equação 47 indica condições ideais para esta eficiência
da célula a combustível. Esta, operando com hidrogênio e oxigênio puros nestas
67
condições, implica diferença de potencial na célula ( ) igual ao potencial padrão
de Nernst (potencial termodinâmico da reação em circuito aberto, ) da
reação considerada. A diferença de potencial ideal pode ser calculada a partir
da energia livre de Gibbs da reação, conforme a equação 48:
REALV
VVIDEAL 229,1=
IDEALV
F*nGVIDEAL
Δ−= (48)
onde:
GΔ− - [J/mol]
n - número de elétrons no mecanismo reacional.
F – [C/mol]
O potencial depende da pressão e temperatura. Em condições reais de
operação, o potencial, ou a tensão obtida é sempre inferior ao valor ideal, devido às
perdas associadas aos fenômenos de polarização que ocorrem nos processos
eletroquímicos. Logo, a eficiência real de uma célula a combustível será sempre
menor que 83%. Esta eficiência é dada pela equação 49.
IDEALV
229,1
)(1 CONCOHMATIV
IDEAL
REALREAL V
V ϕϕϕη
++−== (49)
onde
ATIVϕ - sobrepotencial de ativação;
OHMϕ - sobrepotencial de resistência ôhmica;
CONCϕ - sobrepotencial de concentração.
Os sobrepotenciais, ou sobretensões, indicados na equação 49 resultam dos
fenômenos de polarização. A figura 20 apresenta a influência destes fenômenos
sobre a curva de potencial versus densidade de corrente de uma célula a
combustível. Nesta figura são apresentadas duas curvas de potencial em função da
densidade de corrente, uma curva ideal e outra curva real. Na curva real observa-se
68
que quanto maior a densidade de corrente, menor é o potencial da célula a
combustível ( ) e maiores são as perdas, devido ao fenômeno da polarização. CV
FIGURA 20 - CURVAS DE POTENCIAL VERSUS DENSIDADE DE CORRENTE IDEAL E REAL
FONTE: SERRA ET AL. (2005)
O potencial resultante, incluindo as perdas de polarização por resistências
ôhmicas ( ), é dado pela equação 50: Ri×
RiVVV ANODCATC .−−= (50)
onde
i - corrente que flui através da célula;
R - resistência total (eletrônica mais iônica e de contato).
A tensão total obtida no empilhamento ( ) de várias células unitárias é igual
ao somatório dos potenciais individuais de cada uma delas. Em condições ideais,
considerando-se que os potenciais unitários são iguais, a tensão total é dada pela
equação 51:
TV
CT VnV .= (51)
69
onde
n - número de células unitárias
CV - potencial de uma célula unitária.
Na prática, o desempenho e a curva tensão versus densidade de corrente de
uma unidade de célula a combustível são influenciados por diversas variáveis
operacionais, tais como temperatura, pressão, composição dos gases, grau de
utilização dos reagentes, densidade de corrente, etc., além de outros fatores como
presença de contaminantes nos gases reagentes e a própria vida útil da unidade.
As reações eletroquímicas que ocorrem nos eletrodos das células unitárias
são:
• oxidação do hidrogênio: (52) −+ +→ eHH 222
• redução do oxigênio: OHeHO 22 2221 →++ −+ (53)
A corrente I , no interior da célula a combustível, permite o cálculo do
consumo de hidrogênio no ânodo, o consumo de oxigênio no cátodo e a produção
de água pela célula a combustível. As equações 54, 55 e 56 são indicadas para o
cálculo dessas grandezas.
ξ.2..2
2INPM
W PHH = (54)
ξ.4..2
2INPM
W POO = (55)
222 OHOH WWW += (56)
onde
2HW - fluxo de massa de hidrogênio;
2OW - fluxo de massa de oxigênio;
OHW 2 - fluxo de massa de água;
2HPM - peso molecular do hidrogênio;
2OPM - peso molecular do oxigênio;
I - corrente total que passa pela placa;
70
PN - número de placas em série da célula a combustível;
ξ - constante de Faraday (96487 C).
A potência total ( ) gerada na célula a combustível é dada pelo produto da
tensão total obtida no empilhamento ( ) pela corrente total que passa pela placa,
de acordo com a equação 57:
TP
TV
IVP TT .= (57)
Uma análise mais detalhada do desempenho da célula a combustível envolve
métodos complexos de simulação térmica, que apresentam bons resultados, porém,
não muito diferentes dos resultados obtidos sem a sua utilização. Através da
modelagem matemática, algumas variáveis são consideradas como constantes
como a temperatura da célula a combustível. Estes métodos permitem avaliar e
otimizar o desempenho, eficiência térmica, durabilidade, níveis de emissões e
qualidade de energia da célula a combustível, porém, este detalhamento requer o
desenvolvimento de um projeto específico para cada caso, em especial. (SERRA et
al., 2005).
2.7 PARÂMETROS DEFINIDOS PARA O PROJETO
A escolha dos parâmetros a serem utilizados nos próximos capítulos é
abordada neste tópico, em função de todo o embasamento teórico apresentado.
Dentre os diversos tipos de células a combustível, será utilizada uma célula
de membrana de troca de prótons (PEMFC) didática, igual a apresentada
anteriormente na figura 9. A escolha é devida a sua disponibilidade no mercado. Os
dados necessários ao seu dimensionamento são, basicamente, seus valores de
tensão e potência nominais. Assim como a célula a combustível, também se
encontra disponível o eletrolisador de membrana de troca de prótons (PEM) didático,
sendo este o escolhido para a montagem experimental e é igual ao apresentado
anteriormente na figura 19. É possível dimensioná-lo também pelos valores de
tensão e potência nominais.
71
O painel fotovoltaico a ser utilizado em conjunto com o eletrolisador, de forma
a representar didaticamente a geração distribuída, será o módulo fotovoltaico
específico para eletrolisador (ESMP), sendo este constituído pela tecnologia de
células solares policristalinas, o qual apresenta um bom rendimento e um custo
viável.
O processo escolhido para a obtenção de hidrogênio é o da eletrólise da água
e o hidrogênio será consumido pela célula a combustível à medida que for sendo
produzido.
Não há pretensões de armazenar hidrogênio em grandes quantidades na
parte experimental deste trabalho. Os processos de armazenamento de hidrogênio
descritos são apenas informativos, cuja finalidade é sugerir o desenvolvimento de
novos projetos relacionados a este tema, além de melhor contextualizar este
trabalho.
72
3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
A figura 21 apresenta a montagem completa do sistema em estudo. Nesta
figura é possível verificar a luminária, o painel fotovoltaico, a década resistiva, o
eletrolisador, a célula a combustível e os dois multímetros, além das conexões entre
os dispositivos, de modo a ilustrar previamente o assunto abordado.
FIGURA 21 - MONTAGEM COMPLETA DO SISTEMA DE CÉLULA A COMBUSTÍVEL
3.1 LISTA DE MATERIAIS
• 01 painel fotovoltaico de 3 V e 0,2 W;
• 01 eletrolisador contendo membrana polimérica de troca de prótons
(PEM), 0,45 A e 0,35 W;
• 01 célula combustível de 0,45 A e 0,35 W, contendo membrana polimérica
de troca de prótons (PEM);
• 02 mutímetros iguais, marca Minipa;
73
• 01 década resistiva contendo as resistências de 1 , 3 , 5,1 , 10Ω Ω Ω Ω ,
51 , 100 , 200 e 330mΩ Ω Ω Ω , as posições de circuito aberto e de curto
circuito, um seletor de posições, um fusível de 0,5 A, uma lâmpada de 2 V
e 0,2 A e os bornes de conexão para o amperímetro, para o voltímetro e
para a célula a combustível / módulo fotovoltaico;
• 01 luminária de 127/220 V, com soquete E27, para lâmpada de 60 W;
• 01 lâmpada incandescente de 127 V e 60 W;
• mangueiras condutores de gás e vedantes de mangueira;
• cabos com pontas de prova.
O custo total dos equipamentos foi de R$1350,00 e todos foram adquiridos
em um pacote fechado, da empresa Brasil H2 Fuel Cell Energy, exceto a lâmpada e
a luminária, adquiridos a parte, somando um pequeno valor de R$27,00 ao valor
total indicado anteriormente. O aspecto do pacote fornecido pela Brasil H2 Fuel Cell
Energy pode ser observado na figura 22, na forma como vieram deste fornecedor:
FIGURA 22 - KIT BRASIL H2 FUEL CELL ENERGY
74
Para marcar o tempo nas medições, foi utilizado um microcomputador, pelo
fato deste estar disponível no local dos experimentos, entretanto, poderia ser
utilizado um cronômetro comum. As figuras de 23 a 28 são fotografias dos
equipamentos e acessórios utilizados. Procurou-se tirar as fotografias de forma a
permitir uma boa visualização dos detalhes.
FIGURA 23 - LUMINÁRIA E LÂMPADA
FIGURA 24 - CÉLULA A COMBUSTÍVEL
75
FIGURA 25 - PAINEL FOTOVOLTAICO
FIGURA 26 - ELETROLISADOR
76
FIGURA 27 - MULTÍMETROS
Década Resistiva Cabos
Mangueiras
Vedantes
FIGURA 28 - DÉCADA RESISTIVA E ACESSÓRIOS
77
3.2 PROCEDIMENTOS COMUNS
Os procedimentos a seguir devem ser executados antes da realização de
determinados ensaios. Trata-se do ajuste prévio dos dispositivos (conforme
especificações dos fabricantes) e do sistema no qual eles estão inseridos, cujo
objetivo é preparar o sistema para operar sob determinadas condições, além de
obter medições confiáveis durante os ensaios.
3.2.1 AJUSTE DA LÂMPADA AO PAINEL FOTOVOLTAICO
Estes ajustes são feitos para possibilitar a máxima transferência de energia
luminosa da lâmpada para o painel fotovoltaico. Para isto, o foco da lâmpada deve
ser direcionado ao centro geométrico do painel fotovoltaico, perpendicularmente ao
seu plano e a distância entre a lâmpada e o painel fotovoltaico deve ser determinada
de modo a não aquecer demasiadamente as células solares e de modo a concentrar
o máximo de radiação luminosa sobre estas últimas. Para os ensaios deste trabalho,
com a finalidade de se obter maior corrente do painel fotovoltaico disponível,
adaptou-se um ventilador a este com a finalidade de refrigerar sua superfície, de
forma que a lâmpada pudesse ser aproximada o máximo possível, sem danos para
as células solares.
Sabendo-se previamente que a temperatura tem influência sobre a corrente e
a tensão no painel fotovoltaico e que a lâmpada incandescente produz calor, deduz-
se que o painel fotovoltaico e a lâmpada têm que atingir o equilíbrio térmico antes de
se proceder às medições, para que estas sejam confiáveis. A lâmpada utilizada nos
experimentos possui uma potência de 60 W.
Consideradas as condições mencionadas, os ajustes a serem feitos são:
a) colocar a lâmpada a uma distância de 2,0 cm do painel fotovoltaico,
focando o seu centro geométrico, como indicado na figura 29;
b) apontar o ventilador em direção ao módulo fotovoltaico;
c) manter o módulo fotovoltaico iluminado por pelo menos 5 minutos antes
de proceder às medições e ensaios;
78
Módulo Fotovoltáico
Lâmpada
2,0 cm
FIGURA 29 - AJUSTE DA LÂMPADA AO PAINEL FOTOVOLTAICO
Exclusivamente neste trabalho, para todos os ensaios realizados, manteve-se
o ventilador ligado. A utilização do ventilador neste experimento é opcional, não
havendo a necessidade deste, caso se tenha disponível um módulo fotovoltaico de
maior potência. Neste caso, a distância entre este último e a lâmpada fica em torno
de 15.cm.
3.2.2 PURIFICAÇÃO DO SISTEMA
O objetivo deste procedimento é eliminar quaisquer impurezas presentes no
sistema, como, por exemplo, alguns gases combinados com o oxigênio do ar
presentes no interior da célula a combustível, entre outras. Deve ser garantida a
circulação apenas dos gases hidrogênio e oxigênio no sistema.
Este procedimento sempre deverá ser executado antes de colocar a célula a
combustível e o eletrolisador em operação, uma vez que desconectados do sistema,
os mesmos ficam sujeitos à penetração de ar ou de impurezas.
No esquema indicado na figura 30, é possível verificar como os dispositivos
devem ser ligados para a execução do procedimento de purificação do sistema.
79
H2O2
Eletrolisador PEM
10 10
4
8
6
0
2
4
8
6
2
0
Célula Combustível
O2 2H
Módulo Fotovoltáico
Caixa de Cargas / Resistência / Medição
LâmpadaA V
R
FIGURA 30 - ESQUEMA DE MONTAGEM PARA EXECUÇÃO DA PURIFICAÇÃO
A purificação do sistema é feita seguindo a seqüência de etapas a seguir:
a) ajustar a década resistiva para circuito aberto;
b) completar os dois cilindros do eletrolisador com água destilada até o nível
0 ml;
c) executar as ligações conforme indicado na figura 30;
d) acender a lâmpada;
e) ajustar a luminária, direcionando o foco da lâmpada para o centro
geométrico do painel fotovoltaico;
f) aproximar a luminária do painel fotovoltaico até que seja verificada
claramente a formação de gases nos tubos do eletrolisador;
g) na condição anterior, manter o sistema em funcionamento por 5 minutos;
h) ajustar a década resistiva para 3 ohms e, nestas condições, manter o
sistema em funcionamento por 2 minutos;
i) ajustar a década resistiva para circuito aberto e manter o sistema em
funcionamento por mais 2 minutos.
80
j) purga do volume de gás no circuito do H2 e no circuito do O2.
3.2.3 ARMAZENAGEM DE VOLUME FIXO DE HIDROGÊNIO
Para que a célula a combustível possa operar corretamente, o eletrolisador
deverá fornecer hidrogênio continuamente para a mesma. O procedimento de
armazenagem de um volume fixo de hidrogênio no eletrolisador tem, portanto, a
finalidade de garantir o fornecimento contínuo de hidrogênio à célula a combustível.
Para executar este procedimento, recomenda-se a purificação prévia do
sistema, conforme indicado no item 3.2.2. Em seguida, dando continuidade às
etapas indicadas no item 3.2.2 e aproveitando o mesmo esquema de montagem
indicado na figura 30, para a armazenagem de um volume fixo de hidrogênio é
necessário ainda:
k) desconectar o painel fotovoltaico do eletrolisador;
l) vedar os tubos de saída de gás da célula a combustível;
m) reintegrar o painel fotovoltaico ao eletrolisador;
n) desconectar o painel fotovoltaico do eletrolisador quando o volume de
hidrogênio produzido atingir a marca de 10 ml no respectivo tubo do
eletrolisador.
o) purgar novamente os circuitos de H2 e O2.
3.3 ENSAIO PARA O PAINEL FOTOVOLTAICO
Este ensaio tem por objetivo levantar a curva característica do painel
fotovoltaico. Esta curva consiste em um gráfico contendo valores de potência em
função dos valores de tensão.
A figura 31 apresenta o esquema de ligação para os ensaios relativos ao
painel fotovoltaico.
81
Módulo Fotovoltáico
Caixa de Cargas / Resistência / Medição
AR
V
Lâmpada
FIGURA 31 - ESQUEMA PARA O ENSAIO DO PAINEL FOTOVOLTAICO
Considerando-se que o ajuste inicial da lâmpada ao painel fotovoltaico foi
previamente executado, conforme o item 3.2.1, procedeu-se à medição dos valores
de corrente e tensão no painel fotovoltaico para os respectivos valores de
resistências, ajustados na década resistiva. Os valores coletados estão indicados na
tabela 3.
TABELA 3 - MEDIÇÕES NO PAINEL FOTOVOLTAICO
Tensão Elétrica (V)
Corrente Elétrica (mA)
Resistência Elétrica (Ω)
Potência Elétrica (mW)
0,286 114,3 0,00 32,69 0,404 114,0 1,00 46,06 0,627 113,0 3,00 70,85 0,862 112,4 5,00 96,89 1,400 111,0 10,00 155,40 3,240 60,2 51,00 195,05 3,590 34,7 100,00 124,57 3,660 17,9 200,00 65,51 3,760 0,0 circuito aberto 0,00
82
A partir dos valores indicados na tabela 3, montou-se o gráfico apresentado
na figura 32.
Curvas do Painel Fotovoltaico
0,0010,0020,0030,0040,0050,0060,0070,0080,0090,00
100,00110,00120,00130,00140,00150,00160,00170,00180,00190,00200,00210,00
0,00 3,00 10,00 100,00Resistência [ohms]
Potê
ncia
, Cor
rent
e, T
ensã
o
Potência [mW] Corrente Elétrica [mA] Tensão [V]
FIGURA 32 - CURVAS DO PAINEL FOTOVOLTAICO
Pelo gráfico da figura 32, verifica-se que o aumento da resistência causa o
decréscimo da corrente. Ainda nesta figura, verifica-se como a potência varia em
função da variação da resistência, onde o gráfico traçado corresponde à curva
característica de potência do painel fotovoltaico. Nota-se, nesta curva, um ponto em
que a potência atingida é máxima, denominado de ponto de máxima potência da
curva característica de potência do painel fotovoltaico, ou ponto ótimo de operação
do painel fotovoltaico. Este ponto corresponde à máxima potência elétrica que o
módulo fotovoltaico pode fornecer.
Na prática, verificou-se que a variação da luminosidade não tem influência
sobre o ajuste da carga com o ponto de máxima potência da curva característica de
83
potência do painel fotovoltaico, ou seja, este só fornecerá sua máxima potência para
um determinado valor de carga, exclusivamente.
Em função destas análises, conclui-se, para o módulo fotovoltaico, que sua
curva característica de potência está relacionada apenas às suas características
construtivas e que o seu dimensionamento dependerá apenas da carga a ser
alimentada.
De acordo com o gráfico da figura 32, apresentado anteriormente, verifica-se
que o módulo fotovoltaico utilizado foi construído para alimentar uma carga de
aproximadamente 51 ohms, fornecendo uma potência máxima de aproximadamente
195 mW.
3.4 ENSAIOS PARA O ELETROLISADOR
O objetivo principal destes ensaios é determinar a eficiência do eletrolisador
PEM na transformação de energia elétrica em energia química. Para isto, deverá ser
medida a quantidade de energia elétrica despendida para se obter um determinado
volume de gás hidrogênio.
Para determinar o eletrolisador a ser utilizado neste trabalho, considerou-se
previamente a adequação do painel fotovoltaico ao primeiro, ou seja, em regime
permanente, a potência requerida pelo eletrolisador deve estar próxima do ponto de
máxima potência da curva característica do módulo fotovoltaico, conforme
mencionado no ensaio deste dispositivo, onde a carga é agora representada pelo
eletrolisador. As características do painel fotovoltaico e do eletrolisador foram
previamente determinadas durante a aquisição dos equipamentos, analisando-se as
suas especificações técnicas e, portanto, considera-se previamente que o
eletrolisador é adequado ao módulo fotovoltaico utilizado.
A figura 33 apresenta o esquema de montagem para os ensaios do
eletrolisador:
84
Módulo Fotovoltáico
Eletrolisador PEM
6
8
10
0
2
4
6
8
10
2
4
0
Lâmpada
A VR
Caixa de Cargas / Resistência / Medição
FIGURA 33 - ESQUEMA PARA OS ENSAIOS DO ELETROLISADOR
3.4.1 CURVA CARACTERÍSTICA DO ELETROLISADOR
Inicialmente, foi executado o procedimento indicados no item 3.2.1, de ajuste
da lâmpada ao painel fotovoltaico. Em seguida, para se obter a curva característica
do eletrolisador, os seguintes procedimentos foram executados:
a) ajustou-se a década resistiva para a posição de curto-circuito;
b) variou-se a posição da lâmpada em relação ao painel fotovoltaico, até que
fosse obtida uma corrente elétrica inicial próxima de 1,3 mA no
eletrolisador, coletando-se este valor e o respectivo valor de tensão;
c) repetiu-se o item b para outros valores de corrente, indicados na tabela 4.
85
TABELA 4 - MEDIÇÕES NO ELETROLISADOR
Corrente Elétrica (mA)
Tensão Elétrica (V)
Potência Elétrica (mW)
1,3 1,396 0,18 9,3 1,485 1,38 17,3 1,508 2,61 25,3 1,525 3,86 33,5 1,539 5,16 41,3 1,552 6,41 49,5 1,564 7,74 57,4 1,577 9,05
A partir dos valores indicados na tabela 4, foi possível traçar o gráfico
indicado na figura 34.
Curvas do Eletrolisador
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,00
1,3 9,3 17,3 25,3 33,5 41,3 49,5 57,4Corrente [mA]
Pot
ênci
a, T
ensã
o
Potência [mW] Tensão [V]
FIGURA 34 - CURVAS DO ELETROLISADOR
Pelo gráfico da figura 34 e pelos valores indicados na tabela 4, verifica-se que
para um acréscimo de corrente, a partir da corrente inicial de 1,3 mA, há um
acréscimo de potência diretamente proporcional. Pelo fato da carga estar em curto
circuito, os pequenos valores de tensão, observados na tabela 4, variam apenas em
86
função da resistência oferecida pela solução à quebra da molécula de água
deionizada.
Durante a realização deste experimento, aumentando-se a corrente a partir do
valor inicial de 1,3 mA, pôde-se notar o aparecimento de bolhas nos tubos do
eletrolisador logo que a corrente atingiu o valor de 6,2 mA e a tensão o valor de 1,45
V, ou seja, para estes valores, iniciou-se a reação de formação dos gases hidrogênio
e oxigênio.
A tensão mínima aplicada em uma eletrólise para quebrar a molécula de uma
substância qualquer é chamada de “tensão de decomposição”. Neste caso, a tensão
de decomposição da molécula de água verificada na prática é, então, igual a 1,45 V,
sendo que o valor teórico é de 1,23V.
A diferença entre o valor da tensão de decomposição obtida
experimentalmente e o valor teórico é conhecida como sobretensão, a qual está
relacionada com a densidade de corrente, com a temperatura e com a concentração
da solução eletrolisada. Quanto menor o valor da sobretensão, melhor é a qualidade
do eletrolisador, ou seja, da membrana PEM e dos eletrodos, neste caso.
3.4.2 A EFICIÊNCIA DE FARADAY DO ELETROLISADOR
O esquema da montagem experimental é o mesmo, indicado anteriormente
na figura 33. Inicialmente, foi executado o procedimento indicado no item 3.2.1, de
ajuste da lâmpada ao painel fotovoltaico e foi feito o ajuste da década resistiva para
a posição de curto-circuito. Os procedimentos executados neste ensaio foram,
então, os seguintes:
a) ajustou-se a luminária para se obter uma tensão de 1,7 V e uma corrente
de 160 mA no eletrolisador, aproximadamente;
b) vedou-se as saídas de gás do eletrolisador;
c) manteve-se o circuito em funcionamento por 300 segundos;
d) desconectou-se o painel fotovoltaico do circuito;
e) realizou-se a medição do volume de hidrogênio acumulado no
eletrolisador;
f) reintegrou-se o painel fotovoltaico ao circuito;
87
g) repetiu-se os itens de (c) a (f) mais 2 vezes, para se obter um total de 3
valores para o volume de hidrogênio produzido no período de 300
segundos.
h) fez-se a média aritmética dos valores coletados no item (g);
Os três volumes medidos nos itens (e) e (g) foram de 6 ml, 6 ml e 6,25 ml,
respectivamente. Portanto, o volume médio de hidrogênio produzido para um
período de 300 segundos, uma corrente de 160 mA e uma tensão de 1,7 V foi,
então, na prática, de 6,08 ml. O volume teórico de hidrogênio produzido nestas
condições também foi calculado, através da segunda lei de Faraday. Para se obter
uma molécula de gás hidrogênio são necessários 2 elétrons e dois íons hidrogênio,
conforme a equação.58.
)(2)(2 2 gHeaqH →+ −+ (58)
Em outras palavras, para se obter 1 mol de gás hidrogênio, são necessários 2
moles de elétrons; um mol de qualquer gás ocupa 24 litros, na temperatura de 20 ºC
e 1 atm; um mol de elétrons equivale a uma quantidade de carga elétrica de
96500.C. A quantidade de carga elétrica (Q) despendida na eletrólise, com duração
(t) de 300 s e submetida a uma corrente elétrica (i) de 160 mA pode, então, ser
obtida através da equação 59:
(59) ∫ ×=t
0´dt)t(iQ
)0t(iQ −×=
s)0300(mA160Q −×=
C48Q =
Para determinação do volume teórico de hidrogênio a ser produzido, foi
empregada uma regra de três simples, representada pela equação 60, onde “N” é o
número de moles de elétrons necessários para se obter um mol de gás hidrogênio:
96500N24000QVolume
××
= (60)
88
C965002ml24000C48Volume
××
=
ml97,5Volume =
A partir do volume teórico de hidrogênio calculado e do volume verificado
experimentalmente, é possível determinar, então, a eficiência de Faraday do
eletrolisador através da equação 61:
IDEAL2H
REAL2HFELET V
V=η (61)
102,1ml97,5ml08,6
FELET ≅==η
Nota-se, na equação 61, que o volume de hidrogênio de 6,08 ml, medido
experimentalmente, corresponde a um valor impossível na prática, uma vez que a
eficiência de qualquer sistema, na prática, nunca é superior a 100%. Logo, o valor
real do volume obtido provavelmente deve ter sido menor, ou no máximo igual ao
volume teórico calculado. A eficiência de Faraday indica a quantidade de cargas
elétricas que são efetivamente empregadas no mecanismo reacional eletroquímico
de produção do hidrogênio e do oxigênio.
Em eletrolisadores comerciais, a eficiência de Faraday tende, de fato, a ser
um valor bem próximo de 1. Portanto, considerando-se alguns erros embutidos nas
medições, como o de Paralax, por exemplo, o valor considerado para a eficiência de
Faraday deste eletrolisador está tecnicamente correta, ou seja, imaginando-se que
99,99999% de todas as cargas elétricas foram convertidas na eletrólise. Daqui por
diante, será considerado, então, que o volume de hidrogênio medido
experimentalmente foi de 5,97 ml, para efeito de cálculos da eficiência energética do
eletrolisador, ou qualquer outra consideração que venha a ser feita mais adiante.
3.4.3 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DO ELETROLISADOR
A partir dos dados obtidos nos experimentos anteriores, é possível, então,
determinar a eficiência energética do eletrolisador, ou seja, comparar a energia
89
química armazenada no hidrogênio produzido e a energia elétrica despendida para
produzi-lo, onde esta última é calculada através da equação 62.
∫ ×=t
0elétrica dt)t(PE (62)
)0t(PEelétrica −×=
s300A16,0V7,1Eelétrica ××=
J6,81Eelétrica =
A energia liberada pela queima de um mol de H2, sob condições de
temperatura e pressão ambientes é de 286 kJ. Logo, a energia liberada pela queima
de 6 ml de hidrogênio ( ) foi calculada, então, através de uma regra de três
simples resumida na equação 63:
2EH
mol/l24mol/kJ286ml97,5EH2
×= (63)
J1425,71EH2 =
A eficiência energética do eletrolisador pode, então, ser obtida pela equação
64, a seguir.
elétrica
2EELET E
EH=η (64)
%8787,0J6,81
J1425,71EELET ===η
Cabe ressaltar que a eficiência do eletrolisador varia com a corrente aplicada,
isto é, com a potência, ou seja, para um aumento da corrente, há um aumento na
produção de hidrogênio e uma redução na eficiência do eletrolisador. Portanto, este
ensaio foi realizado várias vezes até se obter o valor de corrente apresentado nos
cálculos anteriores, ou seja, até se obter a condição ótima de operação do
eletrolisador, considerando uma produção razoável de hidrogênio com uma boa
eficiência. A tabela 5 e o gráfico da figura 35, referentes ao eletrolisador, apresentam
os valores de eficiência e de volume de hidrogênio produzido, ambos em função da
90
corrente, onde é possível determinar a melhor condição de operação do
eletrolisador, ou seja, para uma corrente de aproximadamente 160 mA.
TABELA 5 - EFICIÊNCIA E VOLUME DE HIDROGÊNIO DO ELETROLISADOR
Corrente Elétrica (mA)
Volume de H2 (ml)
Eficiência Energética [%]
160,0 5,97 87,18 142,1 5,30 88,19 102,2 3,75 88,87 68,1 2,50 91,14 40,7 1,20 75,08 10,4 0,20 50,93
Eficiência Energética do Eletrolisador e Volume de H2 produzido X Corrente
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
160,0 142,1 102,2 68,1 40,7 10,4
Corrente elétrica [mA]
Efic
iênc
ia, V
olum
e de
H2
Volume de H2 [mlx10] p/ t = 300 s Eficiência Energética [%]
FIGURA 35 - CURVAS DE EFICIÊNCIA E VOLUME DE HIDROGÊNIO DO ELETROLISADOR
3.5 ENSAIOS PARA A CÉLULA A COMBUSTÍVEL
O objetivo principal destes ensaios é determinar a eficiência da célula a
combustível PEM na conversão de energia química em energia elétrica. Para isto,
deverá ser medido o volume de hidrogênio gasto para se obter uma determinada
quantidade de energia elétrica.
91
A figura 36 apresenta o esquema de montagem para os ensaios da célula a
combustível:
H2O2
Eletrolisador PEM
6
10
8
4
2
0
6
10
8
0
4
2
Lâmpada
Módulo Fotovoltáico
Célula Combustível
A
H2O 2
VR
Caixa de Cargas / Resistência / Medição
FIGURA 36 - ESQUEMA PARA OS ENSAIOS DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL
3.5.1 CURVA CARACTERÍSTICA DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL
Inicialmente, foram executados os procedimentos indicados nos itens 3.2.1,
3.2.2 e 3.2.3, de ajuste da lâmpada ao painel fotovoltaico, de purificação e de
armazenagem de volume fixo de hidrogênio, respectivamente. Em seguida, para se
obter a curva característica da célula a combustível, os seguintes procedimentos
foram executados:
a) conferiu-se o ajuste da década resistiva para a posição de circuito aberto;
b) conectou-se o painel fotovoltaico ao eletrolisador;
c) variou-se a posição da lâmpada em relação ao painel fotovoltaico, até que
fosse obtida uma corrente próxima de 200 mA no eletrolisador;
92
d) variou-se a resistência na década resistiva para os valores indicados na
tabela 6, em intervalos iguais e de 30 s cada, coletando-se os respectivos
valores de tensão e corrente para cada valor da resistência de carga;
e) ajustou-se a década resistiva para a posição circuito aberto.
TABELA 6 - VALORES DE TENSÃO, CORRENTE E POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA CARGA
Tensão Elétrica (V)
Corrente Elétrica (mA)
Resistência Elétrica (Ω)
Potência Elétrica (mW)
0,983 0,0 circuito aberto 0,00 0,930 4,6 200,00 4,28 0,910 8,8 100,00 8,01 0,887 16,4 51,00 14,55 0,829 65,0 10,00 53,89 0,807 103,3 5,00 83,36 0,790 138,6 3,00 109,49 0,765 179,5 1,00 137,32 0,750 210,0 0,33 157,50
A partir dos dados indicados na tabela 6, foi possível traçar o gráfico indicado
na figura 37:
Curvas da Célula a Combustível
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
circuitoaberto
100,00 10,00 3,00 0,33
Resistência [ohms]
Pot
ênci
a, C
orre
nte,
Ten
são
Potência [mW] Corrente Elétrica [mA] Tensão [mV]
FIGURA 37 - CURVAS DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL
93
Comparando-se o gráfico da figura 37 com o gráfico da figura 34, para a
célula a combustível e para o eletrolisador, respectivamente, nota-se, no primeiro,
que a potência decresce proporcionalmente com a corrente solicitada pela carga e
no segundo, que a potência aumenta proporcionalmente com a corrente aplicada na
eletrólise. Portanto, se fossem construídas duas curvas, uma para o eletrolisador e
outra para a célula a combustível, para os mesmos valores de corrente, estas curvas
seriam simétricas. Isto é possível porque o eletrolisador e a célula a combustível,
utilizados nestes ensaios, possuem as mesmas características construtivas, como,
por exemplo, as membranas poliméricas de troca de prótons (PEM).
No caso do eletrolisador, verificou-se que a tensão de decomposição da
molécula de água obtida na prática foi de 1,45 V devido à sobretensão, lembrando
que o valor teórico é de 1,23 V. Na célula a combustível, nota-se algo semelhante,
ou seja, para começar a circular corrente elétrica pelo circuito externo, variando a
resistência no sentido decrescente, começando em um valor infinitamente elevado,
um valor mínimo de tensão deve ser atingido. Este valor é chamado de “tensão sem
carga” da célula a combustível. Pelo gráfico da figura 37, verifica-se que a “tensão
sem carga” da célula a combustível é um valor próximo de 0,90 V.
A diferença entre a tensão teórica de decomposição da molécula de água
(1,23.V) e a “tensão sem carga” da célula a combustível, obtida na prática,
corresponde à sobretensão, onde esta última é devida as perdas na célula a
combustível
Na célula a combustível, as perdas estão associadas aos fenômenos de
polarização, como as sobretensões de resistência ôhmica, de ativação e de
concentração, respectivamente. Esta última, para o caso da célula a combustível do
tipo PEM, está relacionada à velocidade de difusão dos gases reagentes nos
eletrodos.
Ainda no gráfico da figura 37, verifica-se que um aumento de corrente, ou de
potência, implica redução da tensão. Portanto, na prática, deve-se considerar a
carga antes de definir a célula a combustível que a alimentará.
94
3.5.2 MUDANÇA DO AGENTE OXIDANTE NA CÉLULA A COMBUSTÍVEL
O objetivo deste ensaio é demonstrar os impactos causados pela mudança do
agente oxidante na célula a combustível, onde os resultados são verificados pelas
alterações ocorridas em sua curva característica. O agente oxidante utilizado
anteriormente foi o oxigênio puro, obtido do eletrolisador. Neste ensaio, será
utilizado o ar.
Inicialmente, foram executados os procedimentos indicados nos itens 3.2.1 e
3.2.3, de ajuste da lâmpada ao painel fotovoltaico e de armazenagem de volume fixo
de hidrogênio, respectivamente. Outro procedimento foi o de desconectar as
mangueiras de entrada e saída de oxigênio da célula a combustível, permitindo a
circulação de ar no cátodo.
Em seguida, para se obter a nova curva característica da célula a
combustível, em função do novo agente oxidante, os procedimentos executados
foram os mesmos indicados no item 3.5.1, do item (a) ao item (e).
O gráfico representado pela figura 38 refere-se aos valores obtidos neste
ensaio, indicados na tabela 7 adiante:
Curvas da Célula a Combustível Utilizando Ar Como Agente Oxidante
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
circuitoaberto
100,00 10,00 3,00 0,33
Resistência [ohms]
Potê
ncia
, Cor
rent
e, T
ensã
o
Potência [mW] Corrente Elétrica [mA] Tensão [mV]
FIGURA 38 - CURVAS DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL TENDO O AR COMO OXIDANTE
95
TABELA 7 - MEDIÇÕES NA CÉLULA A COMBUSTÍVEL TENDO O AR COMO OXIDANTE
Tensão Elétrica (V)
Corrente Elétrica (mA)
Resistência Elétrica (Ω)
Potência Elétrica (mW)
0,983 0,0 circuito aberto 0,00 0,934 4,4 200,00 4,11 0,907 8,4 100,00 7,62 0,844 15,7 51,00 13,25 0,727 44,2 10,00 32,13 0,680 71,2 5,00 48,42 0,637 98,9 3,00 63,00 0,598 125,0 1,00 74,75 0,556 149,5 0,33 83,12
Para uma melhor análise, os gráficos de tensão em função da corrente,
relativo a este ensaio e o apresentado no item 3.5.1, foram sobrepostos e podem ser
observados na figura 39. O mesmo foi feito com os gráficos de potência em função
da corrente, sobrepostos conforme apresentado na figura 40.
Tensão X CorrenteAr / O2 Como Agentes Oxidantes
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
0 50 100 150 200 250
Corrente [mA]
Tens
ão [
V ]
Tensão [V] - O2 Tensão [V] - Ar
FIGURA 39 - TENSÃO EM FUNÇÃO DA CORRENTE
96
Potência X CorrenteAr / O2 Como Agentes Oxidantes
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
0 50 100 150 200 250Corrente [mA]
Potê
ncia
[ m
W ]
Potência [mW] - O2 Potência [mW] - Ar
FIGURA 40 - POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA CORRENTE
Sendo o ar e o oxigênio puro os agentes oxidantes utilizados nos respectivos
ensaios, analisando-se as curvas da figura 39 é possível verificar, na curva referente
ao ar, que um aumento de corrente corresponde a um decréscimo significativo de
tensão; já na curva referente ao oxigênio puro, o decréscimo da tensão, em função
desta mesma variação de corrente, é bem menor que no caso anterior.
Fazendo-se a mesma comparação, para as curvas indicadas na figura 40,
verifica-se, para um mesmo valor de corrente, que a potência é menor na curva
referente ao ar.
A redução da potência na saída da célula a combustível, quando se utiliza o
ar como agente oxidante, deve-se à redução na concentração do oxigênio e à
presença de gases inertes, os quais deslocam o oxigênio. Logo, o processo de
redução do oxigênio e oxidação do hidrogênio se torna mais lento e,
conseqüentemente, a corrente elétrica em uma determinada carga ligada ao circuito
externo será menor e, portanto, a potência também o será.
97
3.5.3 PRIMEIRA LEI DE FARADAY APLICADA À CÉLULA A COMBUSTÍVEL
A primeira lei de Faraday, apresentada na parte teórica deste trabalho, será
utilizada aqui com o objetivo de comparar o volume de hidrogênio consumido pela
célula a combustível e a energia elétrica por ela produzida.
Como se estima um pequeno vazamento de hidrogênio nas conexões entre a
célula a combustível e o eletrolisador e nas demais partes vedadas, uma vez que o
sistema não é ideal, antes de prosseguir à medição da quantidade de hidrogênio
consumida pela célula a combustível, efetivamente, deve ser determinada a taxa de
vazamento de hidrogênio do sistema. Para cada volume de hidrogênio medido,
referente ao consumo da célula a combustível, deverá, então, ser subtraída a taxa
de vazamento. Desta forma, corrige-se o valor medido do volume de hidrogênio
consumido pela célula a combustível. Além da taxa de vazamento, será levantado
ainda o consumo da célula a combustível em função do tempo de operação (para
uma carga constante) e o consumo da célula a combustível em função da variação
da corrente elétrica (para uma carga variando em intervalos de tempos iguais).
Para este ensaio, optou-se por apresentar todos os resultados em tabelas ao
final deste, facilitando, desta forma, a análise dos dados coletados.
Então, inicialmente, foram executados os procedimentos indicados nos itens
3.2.1, 3.2.2 e 3.2.3, de ajuste da lâmpada ao painel fotovoltaico, de purificação e de
armazenagem de volume fixo de hidrogênio, respectivamente. Em seguida,
realizaram-se os demais procedimentos referentes aos experimentos, a seguir.
• Taxa de vazamento de hidrogênio:
a) conferiu-se o ajuste da década resistiva para a posição de circuito aberto;
b) conferiu-se a desconexão do painel fotovoltaico do circuito;
c) observou-se o sistema durante 5 minutos (300 s);
d) verificou-se a diferença entre o volume inicial e final do volume de
hidrogênio no eletrolisador;
e) dividiu-se o volume de hidrogênio resultante pelo tempo de observação,
indicado no item (c).
98
• Consumo de hidrogênio da célula a combustível em função do tempo de
operação (continuação):
f) procedeu-se a armazenagem de volume fixo de hidrogênio (item 3.2.3);
g) desconectou-se o painel fotovoltaico ao eletrolisador;
h) ajustou-se a década resistiva para 3 ohms;
i) mediu-se os valores de corrente e tensão na carga;
j) coletou-se o valor do volume de hidrogênio consumido em um período de
60 segundos;
k) repetiu-se os itens de (h) a (j) por mais 4 vezes para se obter um total de 5
medidas, incrementando-se um tempo de 30 segundos para cada uma,
até o tempo máximo de 180 s;
l) subtraiu-se a taxa de vazamento de hidrogênio de cada um dos valores
obtidos no item (j);
m) ajustou-se a década resistiva para a posição de circuito aberto.
• Consumo de hidrogênio da célula a combustível em função da variação
de corrente elétrica (continuação):
n) procedeu-se a armazenagem de volume fixo de hidrogênio (item 3.2.3);
o) ajustou-se a década resistiva para 1 ohm;
p) desconectou-se o painel fotovoltaico ao eletrolisador;
q) coletou-se o valor do volume de hidrogênio consumido em um período de
50 s e o respectivo valor de corrente na carga;
r) repetiu-se os itens de (n) a (q) por mais 4 vezes, alterando-se, no item (o),
o ajuste da carga na década resistiva para os valores de 10Ω , 5 , 3Ω Ω e
1 , respectivamente; Ω
s) subtraiu-se a taxa de vazamento de hidrogênio de cada um dos valores
obtidos nos itens (q) e (r);
t) ajustou-se a década resistiva para a posição de circuito aberto;
u) removeu-se os vedantes das saídas de gás da célula a combustível.
Obteve-se uma taxa de vazamento de hidrogênio no sistema igual a 1 ml,
para o tempo de observação de 5 minutos, referente aos procedimentos indicados
99
nos itens de (a) a (e). Portanto, a taxa de vazamento de hidrogênio por segundo
neste sistema é, então, de 1ml/300s, ou seja, ml/s. Os dados coletados,
referentes aos itens de (f) a (m), estão indicados na tabela 8 e os referentes aos
itens de (n) a (u) na tabela 9. A taxa de vazamento de hidrogênio foi adicionada a
estas tabelas por conveniência, para corrigir os volumes de H2 medidos.
31033,3 −×
TABELA 8 - CONSUMO DE HIDROGÊNIO EM FUNÇÃO DO TEMPO
Taxa de vazamento de H2: 0,0033 ml/s Tensão: 0,783 V Corrente: 121,1 mA Resistência fixa: 3 ohms
Tempo de Observação (t)
[s]
Consumo de H2 (C) [ml]
Vazamento de H2 (VZ = t x 0,0033)
[ml]
Consumo Corrigido de H2 (C-VZ)
[ml]
60 1,25 0,20 1,05 90 1,85 0,30 1,55 120 2,50 0,40 2,10 150 3,00 0,50 2,50 180 3,70 0,60 3,10
TABELA 9 - CONSUMO DE HIDROGÊNIO EM FUNÇÃO DA CARGA
Taxa de vazamento de H2 : 0,0033 ml/s
Tempo fixo (t): 50 s
Resistência [ohms]
Consumo de H2 (C) [ml]
Vazamento de H2 (VZ = t x 0,0033)
[ml]
Consumo Corrigido de H2 (C-VZ)
[ml] 51 0,17 0,17 0,00 10 0,40 0,17 0,23 5 0,60 0,17 0,43 3 1,00 0,17 0,83 1 3,00 0,17 2,83
A partir dos dados indicados nas tabelas 8 e 9, foi possível traçar os gráficos
indicados nas figuras 41 e 42, respectivamente, mais adiante.
No gráfico apresentado na figura 41, verifica-se que o consumo de hidrogênio
pela célula a combustível é proporcional ao tempo de operação, ou seja, o tempo em
que esta permanece conectada à carga, fornecendo energia elétrica a mesma.
No gráfico apresentado na figura 42, verifica-se que o consumo de hidrogênio
pela célula a combustível depende da carga, ou seja, quanto maior for a carga,
100
maior será a potência requerida por esta e, conseqüentemente, maior será o
consumo de hidrogênio.
Consumo de H2 da Célula a Combustível para Carga Fixa de 3 ohms
0,000,200,400,600,801,001,201,401,601,802,002,202,402,602,803,003,203,40
0 30 60 90 120 150 180
Tempo (s)
Con
sum
o C
orrig
ido
(ml)
FIGURA 41 - CONSUMO DE HIDROGÊNIO EM FUNÇÃO DO TEMPO
Consumo de H2 da Célula a Combustível para Tempo Fixo de 50 s
0,000,200,400,600,801,001,201,401,601,802,002,202,402,602,803,00
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Resistência (ohms)
Con
sum
o C
orrig
ido
(ml)
FIGURA 42 - CONSUMO DE HIDROGÊNIO EM FUNÇÃO DA CORRENTE
101
Conclui-se, então, que se o volume de hidrogênio consumido pela célula a
combustível é proporcional ao tempo de operação e à corrente elétrica, o volume de
hidrogênio consumido é também proporcional ao produto da corrente elétrica pelo
tempo de operação, ou seja, a quantidade de carga elétrica.
Nota-se uma evidente semelhança ao que ocorre no processo da eletrólise
descrito anteriormente, porém de forma inversa, ou seja, na eletrólise da água, a
quantidade de carga elétrica consumida é proporcional ao volume de hidrogênio
produzido.
De acordo com a primeira lei de Faraday, a quantidade de eletricidade
consumida numa célula eletrolítica é proporcional à produção de uma determinada
substância. Logo, no caso da célula a combustível, é possível adaptar esta lei, ou
seja: a quantidade de hidrogênio consumido numa célula a combustível é
proporcional à produção de eletricidade.
3.5.4 EFICIÊNCIA DE FARADAY DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL
Os procedimentos para a determinação dos parâmetros necessários ao
cálculo da eficiência de Faraday da célula a combustível já foram executados no
ensaio anterior (item 3.5.3). Estes parâmetros estão na tabela 8, apresentada
anteriormente. Desta tabela, os parâmetros utilizados foram: a corrente elétrica, a
taxa de vazamento de hidrogênio, o tempo de 180 s, além do vazamento de
hidrogênio, do consumo medido e do consumo corrigido, relativos ao tempo de
180.s.
O volume teórico de hidrogênio consumido foi calculado, através da primeira
lei de Faraday, analisada inversamente. A reação química, indicada pela
equação.65, representa a quebra da molécula de hidrogênio na célula a
combustível, obtendo-se 2 íons e 2 elétrons. +H
−+ +→ e2H2gH2 )( (65)
Em outras palavras, para se obter 2 moles de elétrons, é necessário 1 mol de
gás hidrogênio; um mol de elétrons equivale a uma quantidade de carga elétrica de
96500.C; um mol de qualquer gás ocupa 24 litros, na temperatura e pressão
102
ambientes. Então, para determinação do volume teórico de hidrogênio consumido,
foi empregada uma regra de três simples, representada pela equação 66, onde “N” é
o número de moles de elétrons produzidos por 1 mol de hidrogênio:
96500n24000tiVolume
×××
= (66)
C965002
ml24000s180A1211,0Volume×
××=
ml72,2Volume =
A partir do volume teórico de hidrogênio calculado e do volume verificado
experimentalmente é possível determinar, então, a eficiência de Faraday para a
célula a combustível através da equação 67:
REAL2H
IDEAL2HFCAC V
V=η (67)
%8888,0ml10,3ml72,2
FCAC ===η
As razões pelas quais a eficiência de Faraday da célula a combustível é
menor que 1, justificam-se pelas reações químicas simultâneas de outras
substâncias presentes na célula a combustível, pela recombinação dos gases
hidrogênio e oxigênio através de microvazamentos na membrana polimérica e/ou
nos eletrodos e pela oxidação catalítica (reação entre hidrogênio e oxigênio nos
catalisadores).
3.5.5 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL
A variação da entalpia da combustão de 1 mol de hidrogênio sob condições
de temperatura e pressão ambientes é de 286 kJ. Logo, a energia liberada pela
queima de 3,10 ml de hidrogênio ( ) foi calculada, então, através de uma regra
de três simples, resumida na equação 68:
2EH
103
mol/ml24000mol/kJ286ml10,3EH2
×= (68)
J94,36EH2 =
A eficiência energética da célula a combustível pode, então, ser obtida pela
equação 69, a seguir.
22
elétricaECAC EH
tempoCorrenteTensãoEH
E ××==η (69)
%4646,0J94,36
s180A1211,0V783,0ECAC ==
××=η
Cabe ressaltar que a eficiência da célula a combustível varia com a corrente
requisitada pela carga, isto é, com a potência, ou seja, para um aumento de
potência, há um aumento no consumo de hidrogênio e uma redução na eficiência da
célula a combustível. Portanto, este ensaio foi realizado várias vezes até se obter o
valor de corrente apresentado nos cálculos anteriores, ou seja, até se obter a
condição ótima de operação da célula a combustível, considerando um valor de
potência relativamente alto com uma boa eficiência. A tabela 10 e o gráfico da figura
43 apresentam os valores de eficiência e de potência, ambos em função da corrente,
onde é possível determinar a melhor condição de operação da célula a combustível.
Neste experimento, esta condição foi verificada para a corrente de 121,1 mA.
TABELA 10 - EFICIÊNCIA E CORRENTE NA CÉLULA A COMBUSTÍVEL
Corrente Elétrica (mA)
Volume de H2 (ml)
Eficiência Energética [%]
179,5 2,83 20,36 138,6 0,83 55,35 103,3 0,43 81,34 65,0 0,23 98,30
104
Eficiência Energética do Célula a Combustível e Volume de H2 consumido X Corrente
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
110,0
179,5 138,6 103,3 65,0
Corrente elétrica [mA]
Efic
iênc
ia, V
olum
e de
H2
Volume de H2 [mlx10] p/ t = 50 s Eficiência Energética [%]
FIGURA 43 - CURVAS DE EFICIÊNCIA E POTÊNCIA DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL
3.5.6 ENSAIOS COMPLEMENTARES
Alguns ensaios podem ser realizados para verificar o comportamento de uma
célula a combustível quando se modifica as suas características construtivas e
outros para analisar a associação de células a combustível.
Tais ensaios não puderam ser realizados devido à falta da placa de fluxo de
gases, de uma segunda membrana com maior de densidade de catalisador e de
uma segunda célula a combustível para associações em série e em paralelo. A
aquisição de tais materiais implicaria um aumento excessivo de custo, em torno de
80% do custo do material adquirido para este trabalho. Cabe ressaltar que a célula a
combustível utilizada neste trabalho possui características exclusivas, ou seja,
possui uma única membrana PEM e não possui placa de fluxo de gases. As
configurações apresentadas adiante só foram abordadas para complementar todas
as possibilidades de ensaios, no caso de se ter disponível mais de uma célula a
combustível, uma placa de difusão de gases e mais de uma membrana PEM. Cabe
ressaltar ainda, que estes ensaios são independentes daqueles já executados para
àquela célula a combustível e para àquele sistema.
105
A partir dos estudos teóricos apresentados no capítulo 2 e a partir das
verificações experimentais das características de uma única célula a combustível, é
possível prever o comportamento da mesma quando submetida às seguintes
configurações:
• inserção da placa de difusão de gases junto ao eletrodo de oxigênio –
aumentará a potência da célula a combustível devido a maior velocidade
com que o oxigênio atinge o cátodo e ao espalhamento uniforme deste
em toda a área da membrana polimérica, aumentando o contato com o
catalisador, aumentando a quantidade de reações de oxidação do
hidrogênio e, conseqüentemente, a potência;
• substituição da membrana PEM – uma membrana com maior densidade
de catalisador (mg/cm²), considerando-se partículas unitárias de massas
iguais, significa maior ocorrência de reações de oxidação do hidrogênio e,
portanto, quanto maior a densidade do catalisador maior será a potência
da célula a combustível;
• associação de células a combustível em série – analogamente à
associação de pilhas eletrolíticas, a tensão resultante da associação em
série de duas células a combustível iguais, alimentando uma determinada
carga, será o dobro da tensão de uma célula a combustível individual e,
conseqüentemente, a potência também o será;
• associação de células a combustível em paralelo – analogamente à
associação de pilhas eletrolíticas, a corrente resultante da associação em
paralelo de duas células a combustível iguais, alimentando uma
determinada carga, será o dobro da corrente que circula em uma das
células a combustível e, conseqüentemente, a potência também o será.
Apenas para ilustrar, as figuras 44 e 45 apresentam os esquemas de ligação
das células a combustível em série e em paralelo, respectivamente.
106
Eletrolisador PEM
6
8
10
0
2
4
6
8
10
2
4
0 H
Célula Combustível
O2 2 O 22 H
Módulo Fotovoltáico
Lâmpada
Caixa de Cargas / Resistência / Medição
A VR
FIGURA 44 - ESQUEMA DE LIGAÇÃO DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL EM SÉRIE
Eletrolisador PEM
6
10
8
4
2
0
6
10
8
0
4
2
Lâmpada
Módulo Fotovoltáico
Célula Combustível
A
H2O 2
VR
Caixa de Cargas / Resistência / Medição
O2 2H
FIGURA 45 - ESQUEMA DE LIGAÇÃO DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL EM PARALELO
107
3.6 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DO SISTEMA
Será considerado como sistema, apenas o conjunto formado pelo
eletrolisador e pela célula a combustível, uma vez que o painel fotovoltaico foi
utilizado no experimento apenas para abordar a geração distribuída de energia, uma
das alternativas tecnicamente viáveis em um sistema de células a combustível. Caso
o painel fotovoltaico e a lâmpada fossem incluídos no sistema, um modelo mais
complexo seria necessário para a determinação da eficiência total do sistema, ou
seja, deveria ser considerada a energia dissipada pela lâmpada em forma de calor e
a entregue, efetivamente, ao painel fotovoltaico, as perdas no painel fotovoltaico,
entre outros fatores.
Um dos parâmetros que mais interessa neste sistema é a relação entre a
quantidade de energia elétrica disponível na saída da célula a combustível para
alimentar uma determinada carga e a quantidade de energia elétrica consumida para
produzir o equivalente em volume de hidrogênio. Esta relação corresponde à
eficiência elétrica do sistema.
Para a determinação da eficiência elétrica do sistema, montou-se o mesmo
esquema indicado anteriormente na figura 36, relativo aos ensaios da célula a
combustível.
Inicialmente, foram executados os procedimentos indicados nos itens 3.2.1,
3.2.2, de ajuste da lâmpada ao painel fotovoltaico e de purificação, respectivamente.
Em seguida, os seguintes procedimentos foram executados:
a) ajustou-se a década resistiva para circuito aberto;
b) vedou-se as saídas de gás da célula a combustível;
c) colocou-se mais dois multímetros no experimento, para medir a corrente e
a tensão no eletrolisador, além dos já colocados para medir a tensão e a
corrente na célula a combustível, tendo-se, então, quatro multímetros
ligados ao sistema;
d) conectou-se o painel fotovoltaico no eletrolisador;
e) aguardou-se até que o volume de hidrogênio atingisse a marca de 6 ml,
no eletrolisador;
f) ajustou-se a década resistiva para 51 ohms;
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g) mediu-se a tensão e a corrente na carga e também mediu-se a tensão e a
corrente no eletrolisador;
h) ajustou-se a década resistiva para circuito aberto após 180 segundos e se
coletou a medida do volume de hidrogênio no eletrolisador;
i) repetiu-se este ensaio inteiro, por mais 4 vezes, ajustando-se a década
resistiva, no item (f), para 10W, 5W, 3W e 1W, respectivamente;
Os valores obtidos podem ser observados na tabela 11, a seguir
TABELA 11 - PARÂMETROS PARA O CÁLCULO DA EFICIÊNCIA ELÉTRICA DO SISTEMA
Volume de H2 Inicial (ml) 6,00
Resistência (ohms) 51,00 10,00 5,10 3,00 1,00
Tensão no Eletrolisador (V) 1,69 1,69 1,69 1,69 1,69
Corrente no Eletrolisador (mA) 163,60 165,70 167,50 166,10 164,00
Potência no Eletrolisador (mW) 276,48 280,03 283,08 280,71 277,16
Tensão na Carga (V) 0,87 0,85 0,82 0,80 0,77
Corrente na Carga (mA) 16,30 67,50 107,70 144,50 380,00
Potência na Carga (mW) 14,18 57,38 88,31 115,60 292,60
Volume Final de H2 no Eletrolisador(ml) 9,25 8,30 7,00 6,00 2,00
Variação de Volume de H2 no Eletrolisador
(ml) 3,25 2,30 1,00 0,00 -4,00
Variação de Volume = Volume Final - Volume Inicial
A energia fornecida ao eletrolisador deve ser igual à energia consumida pela
carga mais a energia da variação do volume de hidrogênio no eletrolisador. A
equação 70 representa esta situação:
2HELETCELETPF EEE += (70)
onde
109
ELETPFE → energia elétrica fornecida pelo painel fotovoltaico ao eletrolisador para o
tempo de 180 segundos;
ELETCE → energia elétrica consumida pela carga no período de 180 segundos;
2HE → energia excedente armazenada em forma de hidrogênio, ou energia elétrica
consumida pela carga, obtida da reserva do eletrolisador.
Verifica-se, pela equação 70, que:
• caso o hidrogênio seja consumido na mesma quantidade que a produzida
pelo eletrolisador, =0; 2HE
• caso o eletrolisador produza mais hidrogênio do que a quantidade
requerida pela carga em um determinado intervalo de tempo, > 0; 2HE
• caso a carga consuma mais hidrogênio que a capacidade de produção do
eletrolisador, < 0 e, neste caso, a energia será obtida da reserva de
hidrogênio no eletrolisador, verificada antes de se ligar o painel
fotovoltaico ao eletrolisador e a carga à célula a combustível,
respectivamente.
2HE
Modificando-se os termos da equação 70, tem-se a equação 71:
mol/l24mol/kJ286Vt.I.VtIV 2H
OBSCCOBSPFPF×Δ
+=×× (71)
onde
PFV → tensão no painel fotovoltaico (ou no eletrolisador);
PFI → corrente no painel fotovoltaico (ou no eletrolisador);
OBSt → tempo de funcionamento, ou de observação;
CV → tensão na carga;
CI → corrente na carga;
2HVΔ → variação de volume de hidrogênio para o tempo de observação;
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A eficiência elétrica do sistema ( ESISη ) é dada, então, pela equação 72:
OBSPFPF
2HOBSCC
ESIS tIVmol/l24
mol/kJ286Vt.I.V
××
×Δ+
=η (72)
A partir da equação 72, verificou-se que quanto maior a potência requisitada
pela carga, menor é a eficiência do sistema. Logo, um ponto ótimo de operação
deve ser encontrado para o sistema, ou seja, uma potência elétrica razoável na
saída da célula a combustível, com uma boa eficiência para o sistema. Como a
eficiência elétrica do sistema varia com a carga, isto é, com a potência requisitada
por esta, foi necessário calcular a eficiência elétrica do sistema para cada valor de
carga. Os valores coletados podem ser observados na tabela 12 e o gráfico
correspondente da eficiência em função da potência da carga, na figura 46.
TABELA 12 - EFICIÊNCIA ELÉTRICA DO SISTEMA EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA DA CARGA
Potência Na Carga (mW)
Eficiência Elétrica do Sistema (%)
14,18 82,95 57,38 74,86 88,31 54,59
115,60 41,18 292,60 10,02
Eficiência Elétrica X Potência Da Carga
0,0010,0020,0030,0040,0050,0060,0070,0080,0090,00
0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00
Potência da carga [mW]
Efic
iênc
ia E
létri
ca [%
]
FIGURA 46 - EFICIÊNCIA ELÉTRICA DO SISTEMA EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA DA CARGA
111
É possível verificar, no gráfico da figura 46, que o ponto ótimo de
funcionamento deste sistema corresponde a um valor de potência em torno de 100
mW para uma eficiência de 40%, aproximadamente.
112
4 CONCLUSÕES
Analisando-se a quantidade de energia elétrica produzida pela célula a
combustível, foi possível comprovar que a eficiência elétrica deste dispositivo, com
um valor de 46%, é muito superior à eficiência das máquinas que obedecem ao ciclo
de Carnot, para as quais se verifica uma eficiência máxima em torno de 30%,
aproximadamente. Isto é possível porque a célula a combustível converte energia
química diretamente em energia elétrica, diferentemente das máquinas de Carnot,
que convertem previamente calor em energia mecânica, cujo processo implica
muitas perdas de energia.
Voltando a analisar a célula a combustível, uma eficiência elétrica de 46%,
significa que de 100% da energia recebida pela célula a combustível sob a forma de
hidrogênio, 46% é convertida em energia elétrica e o restante em energia térmica.
A energia térmica produzida poderia ser aplicada em instalações que utilizam
o calor, como, por exemplo, siderúrgicas, indústrias, sistemas de aquecimento de
ambientes, entre outras. Neste caso, a partir da cogeração em uma determinada
instalação, muitas vantagens poderiam ser obtidas, desde a redução dos custos de
energia desta instalação, devido à possibilidade de geração própria, onde o
hidrogênio poderia ser fabricando no próprio local, bem como a utilização eficiente
desta, ou seja, aproveitando-se a energia elétrica e a térmica.
Verificou-se também, nos ensaios anteriores, que a eficiência elétrica total do
sistema composto pela célula a combustível e pelo eletrolisador corresponde a um
valor muito próximo ao da eficiência da célula a combustível isolada, ou seja,
enquanto a célula a combustível apresentou uma eficiência elétrica de 46%, o
sistema completo apresentou uma eficiência próxima de 41%, para condições
aproximadas de potência requisitada pela carga, nos dois ensaios realizados,
respectivamente. De fato, isto é possível, ao se verificar que a eficiência energética
do eletrolisador é relativamente alta, cujo valor encontrado foi de 87%.
Apesar da célula a combustível PEM possuir um custo relativamente elevado
atualmente, devido ao catalisador de platina utilizado em sua construção, muitos
países como Estados Unidos e Japão estão fazendo grandes investimentos em
pesquisas de células a combustível com a finalidade de tornar viável,
economicamente, a difusão destas no mercado. Tecnicamente, a célula a
combustível já é uma realidade. Já existem, por exemplo, diversos veículos
113
trafegando sem motor a combustão, substituído por motores elétricos alimentados
por células a combustível PEM, além de muitas outras aplicações já verificadas.
Através da experimentação, pôde-se comprovar a grande importância da
tecnologia de células a combustível. Devido ao alto rendimento deste componente e
da utilização de energia renovável, estima-se que em um futuro próximo esta
tecnologia avance ainda mais, com custos ainda menores e se torne comum em
diversos ramos de atividade, desde a fabricação de telefones celulares até a
aplicação no setor de transportes. Esta previsão resulta de informações verificadas
diariamente nos noticiários, cujos assuntos principais são as adversidades entre
países pelo monopólio do petróleo, o efeito estufa e a busca por novas fontes de
energia.
A busca por tecnologias mais eficientes faz com que a célula a combustível
se torne uma alternativa considerável, envolvendo todos os setores econômicos,
como, por exemplo, o setor de geração de energia e o setor de transportes. Além
disso, criam-se novos postos de trabalho, diminui-se a emissão de poluentes, reduz-
se a dependência do petróleo e da exploração das poucas jazidas que ainda restam
e utiliza-se energia de forma racional, promovendo o crescimento sustentável.
114
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