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Conceitos - Tecnologias: Fuel Cells

Tecnologias: Fuel Cells

Existem diversos tipos de Fuel Cell ou Células de Combustíveis:


PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell – Pilhas de combustível de ácido fosfórico, apresentam potências de saída até 200 KW.

É a tecnologia mais madura e o único tipo disponível comercialmente, com mais de 200 sistemas instalados a nível mundial: hospitais, centros médicos, hotéis, escritórios, escolas, centrais de produção de energia, terminais de aeroporto, estações de tratamento de águas, lixo e águas sanitárias.

Convertem electricidade com um rendimento maior que 40% e de cerca de 85% do vapor produzido é usado na cogeração. Operam a temperaturas 150 a 200ºC. A temperaturas mais reduzidas, o ácido fosfórico é um condutor iónico pobre e a percentagem de monóxido de carbono (CO) no electro-catalisador de platina do ânodo torna-se demasiado elevada.

Outra das vantagens, além dos 85% de eficiência em cogeração é que se pode utilizar hidrogénio impuro como combustível, desde que a concentração de CO seja de cerca de 1,5%, aumentando assim os combustíveis possíveis. Como desvantagens, aponta-se a platina, por ser de custo elevado, a potência comparativamente baixa quando comparada com outras tecnologias e o seu tamanho e peso, consideravelmente maior.



PEMFC – Proton Exchange Fuel Cell – Pilha de combustível com membrana de permuta de protões, apresentam potências de saída entre os 50 e os 250KW.

Operam a temperaturas relativamente baixas ~ 80ºC, apresentam uma potência elevada e conseguem variar a sua tensão de saída muito rapidamente, indo de encontro a aumentos e diminuições bruscas de energia necessária. Tais características são importantes nos automóveis, para que o veículo possa iniciar a sua marcha rapidamente. Esta tecnologia é a primeira da lista quando se falam em veículos ligeiros e edifícios; potencialmente são ainda aplicações mais pequenas como substitutos de baterias recarregáveis.

A membrana de permuta de protões é uma folha plástica fina que permite aos iões H+ passarem através dela; é revestida nos dois lados por partículas de um metal altamente dispersivo (predominantemente platina) que se tornam catalisadores activos. O electrólito é um polímero sólido orgânico de ácido poli-perflorosulfónico, que se torna vantajoso, pois reduz a corrosão.

O hidrogénio é fornecido ao ânodo onde o catalisador encoraja o átomos de hidrogénio a libertarem os seus electrões tornando-se iões H+ ou seja protões. Os electrões libertados seguem para o cátodo, mas são aproveitados antes de lá chegarem como corrente eléctrica. O cátodo por seu lado é alimentado com oxigénio e os protões aos serem difundidos através da membrana (electrólito) para o cátodo, combinam-se originando H20, completando o processo. Este tipo de pilhas é sensível as impurezas do combustível.



MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell – Pilha de combustível de carbonatos fundidos, apresentam potências de saída entre os 10KW a 2MW.

O eléctrodo é constituído por uma solução líquida de carbonatos de lítio, sódio e/ou potássio. Prometem eficiências elevadas, cerca de 60% e 85% com cogeração, operando a temperaturas da ordem dos 650ºC; necessária para se atingir a condutividade suficiente do electrólito. As MCFC têm operado com base em hidrogénio, monóxido de carbono, gás natural, propano, biogás, diesel e produtos de gaseificação estimulada do carvão, destinando-se a aplicações eléctricas. Além de dispensar catalisadores caros e usar vários tipos de combustível tem como grande vantagem e simultaneamente desvantagem a temperatura de operação elevada. As reacções envolvendo a quebra de ligações Carbono-Carbono nos hidrocarbonetos ocorrem muito mais rapidamente à medida que aumenta a temperatura. A desvantagem é a rápida corrosão e o colapso de componentes devido à temperatura elevada.



SOFC – Solid Oxid Fuel Cell – Pilha de combustível de óxido sólido, apresentam potências de saída até 100KW.

Solução apontada para ser usada em aplicações de grande escala e de alta potência, incluindo centrais eléctricas de escala regional. Os motores de veículos são também indicados, sendo no entanto necessários unidades auxiliares de energia (APU – Auxiliary Power Unit). O electrólito é sólido, sendo normalmente usado um material cerâmico de óxido de zircónio com uma pequena quantidade de itria, funcionando a temperaturas té 1000ºC. O rendimento pode atingir 60% e 85% em cogeração.



AFC – Alkaline Fuel Cell – Pilha de combustível alcalina, apresentam potências de saída entre os 300W e os 5KW.

Muito utilizadas pela NASA, esta tecnologia atinge rendimentos até 70%; foram usadas na nave espacial Apollo para produzir electricidade e água potável. Operam a temperaturas de 150 a 200ºC; o electrólito é uma solução aquosa de hidróxido de potássio alcalino, que aumenta a velocidade da reacção no cátodo e a performance da pilha.



DMFC – Direct Methanol Fuel Cell – Pilha de combustível de Metanol directo

Semelhantes às PEMFC, por usarem uma membrana de polímero como electrólito, no entanto o catalisador do ânodo retira o hidrogénio do metanol líquido, eliminando a necessidade de um reformador. A eficiência está nos 40% (podendo ser aumentado com temperaturas mais elevadas) e a temperatura de operação entre os 50ºC e 100ºC, tornando-as muito adequadas para aplicações médias: telemóveis, computadores portáteis, etc. Problemático é o facto de haver combustível a passar do ânodo para o cátodo, sem produzir electricidade (parece haver já soluções para este problema).



RFC – Regenerative Fuel Cell – Pilha de combustível regenerativa

Tecnologia bastante jovem, mas atractiva num ciclo fechado de produção de energia. Funcionam acopladas a um sistema solar de electrólise, que separa o oxigénio e o hidrogénio, que por sua vez são injectados no cátodo e no ânodo respectivamente, produzindo electricidade e água que é injectada novamente no sistema solar.



ZAFC – Zinc-Air Fuel Cell – Pilha de combustível de zinco-ar

A célula é constituída por um eléctrodo GDE (Gas diffusion electrode), um ânodo de Zinco separado por um electrólito e separadores mecânicos. O GDE é uma membrana permeável que permite a passagem ao oxigénio atmosférico, que entra em contacto com o hidrogénio obtendo-se iões e água. Os iões atravessam o electrólito e atingem o ânodo de Zinco, onde reagem em conjunto formando óxido de Zinco. Este processo cria um potencial eléctrico. Depois de o combustível ter sido usado, o sistema pode ser ligado à rede obtendo-se peletes de zinco puro novamente, cujo processo não deve demorar mais de 5 minutos para completar. As ZAFC funcionam à base de Zinco, que é relativamente abundante e barato e como há poucas perdas entre recargas, são bastante melhores que as baterias convencionais.



PCFC – Protonic Ceramic Fuel Cell – Pilha de combustível de cerâmica protónica

Este novo tipo de pilhas de combustível contém um electrólito de material cerâmico que exibe uma condutividade protónica a temperaturas elevadas ~ 700ºC. Partilham as vantagens das MCFC e SOFC, bem como das PAFC e oxidam os combustíveis fósseis directamente no ânodo eliminando a necessidade de produção prévia de hidrogénio. As moléculas gasosas dos hidrocarbonetos são absorvidas na superfície do ânodo na presença de vapor de água e os átomos de hidrogénio são eficientemente removidos e absorvidos pelo electrólito, sendo o CO2 o produto da reacção. Como têm um electrólito sólido, a membrana não desaparece como nas PEM; e o líquido não se escapa como nas PAFC.



Para terminar apresentamos um quadro resumo das diversas tecnologias:

Tecnologia
Potência de saída
Temp.de func. (ºC)
Electrólito Aplicações
PAFC
< 200 KW 150 a 200

Ácido
fosfórico

Produção de energia (escala média)
PEMFC 50 a 250KW 80 Polímero Veículos, substituto de baterias recarregáveis
MCFC 10KW a 2MW 650 Solução aq. carbonatos Aplicações eléctricas
SOFC < 100KW Até 1000 Material cerâmico Aplicações de grande escala, veículos
AFC 300W a 5KW 150 a 200 Solução aquosa Produção de electricidade (pequena escala)
DMFC 50 a 250KW 50 a 100 Polímero Aplicações médias, telemóveis, laptops
RFC - -
- Produção de energia em ciclo fechado
ZAFC - - - Baterias

PCFC - 700 Material cerâmico Produção de energia (grande escala)

Deve-se referir que nem todas a tecnologias são realmente formas de energias renováveis, no entanto o princípio de funcionamento com base no hidrogénio e tendo como sub-produto vapor de água mantém-se e esse é sem qualquer dúvida um mecanismo de energia renovável.





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Última actualização 2/2/2017