4.3 - CLULAS DE COMBUSTVEL4.3.1 DEFINIOUma clula de combustvel uma clula eletroqumica que converte continuamente a energia qumica de um combustvel e de um oxidante em energia eltrica, atravs dum processo que envolve essencialmente um sistema eltrodo/eletrlito [Kordesch et al., 1996].Uma clula de combustvel pode converter mais do que 90% da energia contida num combustvel em energia eltrica e calor. No ano de 1996, as clulas de combustvel com cido fosfrico (CCAF) apresentavam uma eficincia de converso eltrica de 42%, com uma elevada produo de calor [Kordesch et al., 1996].

4.3.2 COMO FUNCIONAMTodas as clulas de combustvel so constitudas por dois eltrodos, um positivo e outro negativo, designados por, ctodo e nodo, respectivamente [Larminie, 2002]. Igualmente, todas as clulas tm um eletrlito, que tem a funo de transportar os ies produzidos no nodo, ou no ctodo, para o eltrodo contrrio, e um catalisador, que acelera as reaes eletroqumicas nos eltrodos.

A modo de exemplo, utilizando o hidrognio como combustvel e o oxignio como oxidante, as reaes no nodo e ctodo na clula de combustvel so as seguintes, respectivamente:nodo:H2(g) -> 2 H+(aq) + 2 e-Ctodo:1/2 O2(g) + 2 H+(aq) + 2 e--> H2O(g)

O hidrognio (combustvel) alimentado ao nodo da clula de combustvel (ver figura), onde oxidado no catalisador de platina (camada difusiva/cataltica), havendo a produo de dois eltrons e dois prtons hidrognio, H+(reao nodo). De seguida, os eltrons produzidos pela reao de oxidao do hidrognio so transportados atravs de um circuito eltrico e utilizados para produzirem trabalho (corrente contnua). Por sua vez, os prtons produzidos na reao andica so transportados do nodo para o ctodo, atravs do eletrlito (no centro da clula). No ctodo, o oxignio alimentado e reage com os prtons transportados atravs do eletrlito e com os eltrons provenientes do circuito eltrico (reao ctodo). O produto final da reao que ocorre no ctodo o vapor de gua.Noutro tipo distinto de clulas de combustvel, o oxignio reduzido pelos eltrons do circuito eltrico no ctodo e, de seguida, o seu on transfere-se atravs do eletrlito para o nodo, onde se combina com os ons hidrognio.A seleo do eletrlito de extrema importncia, visto que este deve permitir somente a transferncia de ies do nodo para o ctodo, ou vice-versa [Cappadonia et al., 2000]. Se os electres ou outras substncias transferirem-se atravs do electrlito do nodo para o ctodo, ou vice-versa, a performance global da clula de combustvel fica seriamente afectada. Por sua vez, de maneira a obter-se o funcionamento mais eficiente possvel de uma clula de combustvel, os elctrodos devem ter elevadas reas de contacto e o electrlito deve ter uma espessura reduzida. Um electrlito comum nas clulas de combustvel um cido, com ies H+mveis.Na prtica, cada uma das clulas de combustvel pode produzir uma diferena de potencial inferior ou igual a 1 V. Isto significa que para se obterem nveis teis de potncia elctrica tm de se associar diversas clulas de combustvel em srie (pilha). Deste modo, um sistema de clulas de combustvel apresenta a vantagem de ser modular e, por isso, tem a possibilidade de ser construdo para uma ampla gama de potncias elctricas, podendo ir dos mWatts at aos MWatts.As clulas de combustvel so interligadas entre si por pratos bipolares (ver figura). Estes pratos devem ser bons condutores de electricidade, e ter canais ao longo da sua superfcie, de maneira a possibilitar o escoamento do combustvel no nodo e do ar ou oxignio no ctodo. Ao mesmo tempo, estes devem permitir um bom contacto elctrico com os elctrodos, ser o menos espesso possvel e de fabrico barato. Um requisito adicional o de evitar as fugas de reagentes.

4.3.3 - TIPOS DE CLULASMuitos dos requisitos apresentados pelos sistemas eltricos convencionais implicam desafios tcnicos especficos para as clulas de combustvel. Por exemplo, de maneira a ter uma maior flexibilidade em relao ao combustvel e melhor utilizao do calor produzido, uma clula de combustvel dever funcionar a temperaturas elevadas. De maneira a responder aos diversos desafios tcnicos, os investigadores desenvolveram diferentes tipos de clulas de combustvel.Os diferentes tipos de clulas de combustvel so os seguintes:

Clulas de combustvel com membrana de permuta protnica (CCMPP). Clulas de combustvel alcalinas (CCA). Clulas de combustvel cido fosfricas (CCAF). Clulas de combustvel de carbonato fundido (CCCF). Clulas de combustvel de xido slido (CCOS).4.3.3.1 - Clulas de combustvel com membrana de permuta protnica (CCMPP)

A clula de combustvel com membrana de permuta protnica apresenta a vantagem da sua simplicidade de funcionamento. O electrlito nesta clula de combustvel uma membrana de permuta inica (polmero cido sulfnico fluorizado ou outro polmero similar) que boa condutora de protes do nodo para o ctodo. Por sua vez, o combustvel utilizado o hidrognio com elevado grau de pureza [Kordesch et al., 1996].O nico lquido na clula a gua e, devido a esse facto, os problemas de corroso so mnimos [Cappadonia et al., 2000]. A presena da gua lquida na clula de extrema importncia porque a membrana de permuta protnica deve ser mantida hidratada durante o funcionamento da clula de combustvel. Devido s limitaes apresentadas em relao temperatura, impostas pelo polmero da membrana e pela necessria da hidratao da membrana, esta clula de combustvel funciona para temperaturas, usualmente, inferiores a 100 C [Cappadonia et al., 2000]. Sendo assim, as velocidade de reaco reduzidas so compensadas pela utilizao de catalisadores e elctrodos sofisticados. O catalisador utilizado a platina e desenvolvimentos recentes permitiram a utilizao de pequenas quantidades de catalisador, sendo o custo da platina uma pequena parte no preo total da CCMPP.Para alm do hidrognio como combustvel, as clulas de combustvel CCMPP podem funcionar com combustveis alternativos (clulas de combustvel indirectas), desde que estes sejam previamente convertidos em hidrognio. Os combustveis utilizados CCMPP indirectas podem ser, por exemplo, metanol, etanol, metano, propano, etc..Uma variante importante da CCMPP a clula de combustvel com alimentao directa de metanol (CCDM). Como combustvel, o metanol tem diversas vantagens em relao ao hidrognio para alm de ser lquido temperatura ambiente, este pode ser facilmente transportado e armazenado . Os principais problemas das CCDM so o sobrepotencial electroqumico no nodo, o que torna a clula menos eficiente, e o facto do metanol difundir atravs da membrana de permuta protnica (MPP) do nodo para o ctodo. No entanto, no presente, os investigadores desta tecnologia esto a alcanar progressos importantes que resolvem parcialmente estes problemas, tornando este tipo de clulas de combustvel potencialmente til para ser utilizado em equipamentos elctricos portteis e, igualmente, em meios de transporte.

Reaces CCMPPReaces CCDM

nodo:H2(g) -> 2 H+(aq) + 2 e-Ctodo:1/2 O2(g) + 2 H+(aq) + 2 e--> H2O(l)nodo:CH3OH(aq) + H2O(l) -> CO2(g) + 6 e-+ 6 H+(aq)Ctodo:6 H+(aq) + 6 e-+ 3/2 O2(g) -> 3 H2O(l)

4.3.3.2 - Clulas de combustvel alcalinas (CCA)Nas clulas de combustvel alcalinas, o electrlito utilizado uma soluo concentrada de KOH (85 %peso) para temperaturas elevadas (~ 250 C) e menos concentrada (35 50 %peso) para temperaturas interiores (< 120 C) [Larminie, 2002]. As pilhas CCA utilizadas no programa Apollo da NASA utilizavam uma soluo de KOH com 85 %peso e funcionavam temperatura de 250 C.

O problema das velocidades de reaco baixas (baixas temperaturas) superado com a utilizao de elctrodos porosos, com platina impregnada, e com a utilizao de presses elevadas. Neste tipo de clulas de combustvel, a reduo do oxignio no ctodo mais rpida em electrlitos alcalinos, comparativamente com os cidos e, devido a isso, existe a possibilidade da utilizao de metais no nobres neste tipo de clulas [Larminie, 2002]. As principais desvantagens desta tecnologia so o facto dos electrlitos alcalinos (p. ex. NaOH e KOH) dissolverem o CO2e a circulao do electrlito na clula, tornando o funcionamento desta mais complexo [Larminie, 2002]. No entanto o electrlito apresenta custos reduzidos.

4.3.4 VANTAGENS E DESVANTAGENSAs vantagens das clulas de combustvel so: Uma clula de combustvel pode converter mais do que 90% da energia contida num combustvel em energia eltrica e calor (no h dependncia do ciclo de Carnot). No ano de 1996, as clulas de combustvel com cido fosfrico (CCAF) apresentavam uma eficincia de converso eltrica de 42%, com uma elevada produo de calor [Kordesch et al., 1996]. Centrais de produo de energia atravs de clulas de combustvel podem ser implementadas junto dos pontos de fornecimento permitindo a reduo dos custos de transporte e de perdas energticas nas redes de distribuio [Hirschenhofer et al., 1998]. A habilidade para co-gerar calor, ou seja, para alm de produzir eletricidade, produz igualmente vapor de gua quente [Kordesch et al., 1996]. Devido ao fato de no possurem partes mveis, as clulas de combustvel apresentam maiores nveis de confiana comparativamente com os motores de combusto interna e turbinas de combusto. Estas no sofrem paragens bruscas devido ao atrito ou falhas das partes mveis durante a operao. A substituio das centrais termoeltricas convencionais que produzem eletricidade a partir de combustveis fsseis por clulas de combustvel melhorar a qualidade do ar e reduzir o consumo de gua e a descarga de gua residual [Kordesch et al., 1996]. As emisses de uma central eltrica de clulas de combustvel so dez vezes menos do que as normativas ambientais mais restritas. Para alm disso, as clulas de combustvel produzem um nvel muito inferior de dixido de carbono. A natureza do funcionamento permite a eliminao de muitas fontes de rudos associadas aos sistemas convencionais de produo de energia por intermdio do vapor. A flexibilidade no planejamento, incluindo a modulao, resulta em benefcios financeiros e estratgicos para as unidades de clulas de combustvel e para os consumidores. As clulas de combustvel podem ser desenvolvidas para funcionarem a partir de gs natural, gasolina ou outros combustveis fceis de obter e transportar (disponveis a baixo custo). Um reformador qumico que produz hidrognio enriquecido possibilita a utilizao de vrios combustveis gasosos ou lquidos, com baixo teor de enxofre [Kordesch et al., 1996]. Na qualidade de tecnologia alvo de interesse recente, as clulas de combustvel apresentam um elevado potencial de desenvolvimento. Em contraste, as tecnologia competidoras das clulas de combustvel, incluindo turbinas de gs e motores de combusto interna, j atingiram um estado avanado de desenvolvimento.

As desvantagens so: A necessidade da utilizao de metais nobres como, por exemplo, a platina que um dos metais mais caros e raros no nosso planeta. O elevado custo atual em comparao com as fontes de energia convencionais. A elevada pureza que a corrente de alimentao hidrognio deve ter para no contaminar o catalisador. Os problemas e os custos associados ao transporte e distribuio de novos combustveis como, por exemplo, o hidrognio. Os interesses econmicos associados s indstrias de combustveis fsseis e aos pases industrializados.

4.3.5 APLICAESAs aplicaes mais importantes para as clulas de combustvel so as centrais de produo de eletricidade estacionrias e de distribuio, veculos eltricos motorizados e equipamentos eltricos portteis .

I. Centrais elctricas estacionriasUma das caractersticas das clulas de combustvel o fato do tamanho exercer praticamente nenhuma influncia sobre a eficincia. Isto significa que podem ser desenvolvidas centrais de produo eltrica pequenas, com elevadas eficincias, evitando os custos excessivos envolvidos no desenvolvimento da centrais eltricas convencionais .Como resultado deste fato, inicialmente, as centrais eltricas com clulas de combustvel foram desenvolvidas para produzirem potncias na gama dos kW at aos MW.Assim que estas unidades sejam comercializadas e a diminuio dos preos seja alcanada, as clulas de combustvel podem passar a ser utilizadas em centrais estacionrias de produo de electricidade devido sua elevada eficincia [Hirschenhofer et al., 1998].Um exemplo prtico pode ser uma central elctrica a clulas de combustvel produzida pela empresa UTC (ver figura). Esta central est instalada numa cervejeira japonesa (Asahi Brewery) e produz energia elctrica a partir de gases residuais do processo de fermentao. A potncia mxima que produz de 200 kW.

II. Centrais eltricas de distribuioAs centrais eltricas de distribuio com clulas de combustvel so sistemas pequenos e modulares que apresentam a possibilidade de serem implementadas nas proximidades do ponto de utilizao. O sistema tpico produz uma potncia eltrica inferior a 30 MW, envolvendo emisses de poluentes consideradas desprezveis, comparativamente com os sistemas tradicionais de combusto [Hirschenhofer et al., 1998].Sendo uma tecnologia recente, nos momentos iniciais de desenvolvimento esta envolvia custos elevados. No entanto, na actualidade os custos envolvidos so cada vez menores devido ao crescente aumento da capacidade de produo. Alis, para este tipo de sistemas, os custos so praticamente insensveis em relao ao tamanho. Isto torna-os ideais para uma grande diversidade de aplicaes onde podem ser utilizados para terem conformidade com as necessidades do consumidor [Hirschenhofer et al., 1998].Os sistemas de clulas de combustvel apresentam tambm a vantagem de emitirem baixos nveis de rudo. Esta qualidade possibilita a sua colocao junto dos pontos de consumo de energia elctrica. Estes sistema apresentam igualmente eficincias superiores comparativamente com outros sistemas convencionais. A eficincia pode ainda ser aumentada com a utilizao de um sistema de aproveitamento do calor libertado pela gua residual produzida. Desta forma, pode utilizar-se um sistema combinado de produo de calor e de potncia elctrica [Kordesch et al., 1996].A primeira gerao de clulas de combustvel de cido fosfrico j foram comercializadas com um sucesso relativo. Por sua vez, esperado que a segunda gerao de clulas de combustvel venha a ser apresentada no decorrer do ano de 2002. No presente esto a realizar-se diversos esforos de investigao para desenvolverem-se novos materiais cermicos e melhorar diferentes tcnicas de fabrico de maneira a reduzir os custos de produo [Kordesch et al., 1996].Na actualidade, a empresa H Power comercializa a unidade estacionria RCU 1-10 kW AC (ver figura). Este sistema de produo de energia elctrica utiliza clulas de combustvel com membrana de permuta protnica (CCMPP). Os combustveis utilizados podem ser o gs natural e o propano. Esta unidade capaz de produzir uma potncia elctrica na gama dos 3 a 10 kW. A unidade dispe de um modulo adicional de recuperao de calor de maneira a produzir gua quente para sistemas de aquecimento central.

III. Veculos eltricos motorizadosNos ltimos anos da dcada de 1980 passou a existir um interesse crescente no desenvolvimento de clulas de combustvel para utilizao em veculos motorizados ligeiros e pesados [Kordesch et al., 1996]. O principal interesse deste desenvolvimento a necessidade de meios de transporte menos poluentes e eficientes. Um veculo motorizado que utilize o hidrognio como combustvel no emite qualquer poluente para a atmosfera. Com outros combustveis, o sistema de clulas de combustvel utiliza um processador para converter esses mesmos combustveis em hidrognio, possibilitando um poder de traco elctrico eficiente e com uma emisso praticamente desprezvel de gases associados s chuvas cidas e efeito de estufa.Para alm dos aspectos citados anteriormente, os veculos que utilizam clulas de combustvel apresentam as vantagens de disponibilizarem electricidade extra para componentes do automvel e de envolverem baixos custos de manuteno devido ao facto de terem poucas partes em movimento. A investigao e o desenvolvimento da tecnologia das clulas de combustvel aplicada aos veculos motorizados financiada pelo governos do Norte da Amrica, Europa e Japo, assim como, pelas principais construtoras mundiais de automveis [Hirschenhofer et al., 1998].Recentemente, a maior actividade no desenvolvimento de clulas de combustvel para meios de transporte foi focada nas clulas de combustvel com membrana de permuta protnica (CCMPP).Em 1993, a empresa Ballard Power Systems apresentou um autocarro com 10 metros de comprimento com um sistema de 120 kW (ver figura), seguido de um sistema de 200 kW, com 12 metros, em 1995 [Hirschenhofer et al., 1998]. Estes autocarros utilizam o hidrognio como combustvel (veculos com emisses zero).Em colaborao com a Ballard, a Daimler-Chrysler construiu uma srie de veculos motorizados ligeiros que utilizam clulas de combustvel do tipo CCMPP (ver figura). Estes veculos foram intitulados pela abreviatura NECAR (Non Emission Car).A primeira gerao destes veculos, NECAR 1 e 2, foi alimentada a hidrognio. Por sua vez, o NECAR 3 (modelo classe A) introduziu a utilizao do metanol como fonte de hidrognio (utilizao de reformador). De seguida, em 1999, com o NECAR 4 foi adoptado novamente o hidrognio como combustvel directo das CCMPP. Mais recentemente, em Novembro de 2000, a Daimler-Chrysler apresentou o modelo mais recente da famlia NECAR, o NECAR 5. Este automvel adoptou novamente o metanol lquido como fonte de hidrognio. A velocidade mxima deste veculo de 150 km/hr e apresenta uma autonomia de ~480 km. Comparativamente com o NECAR 3, o sistema de clulas de combustvel da verso 5 50% mais eficiente, tem metade do tamanho e pesa menos 300 kg.No ano de 2004, a Daimler-Crysler planeia introduzir no mercado os automveis elctricos movidos a clulas de combustvel. At essa data, os engenheiros da empresa iro focar os seus esforos na optimizao da confiana do sistema de conduo e na reduo dos custos. Na opinio dos engenheiros da Daimler-Crysler, o futuro da aplicao das clulas de combustvel em meios de transporte passa pelo desenvolvimento da tecnologia CCDM. Desta maneira, o sistema de produo de electricidade simplificado porque no existe a necessidade da utilizao de reformadores para a produo de hidrognio a partir do metanol.Outros construtores de automveis, incluindo a General Motors, Volkswagen, Volvo, Honda, Nissan, Toyota e Ford, anunciaram igualmente planos para o desenvolvimento de prottipos que utilizam clulas de combustvel com membrana de permuta protnica e so alimentados a hidrognio, metanol ou gasolina [Hirschenhofer et al., 1998].

IV. Equipamentos eltricos portteisO tipo de clulas de combustvel mais utilizadas em equipamentos portteis so as clulas de combustvel alcalinas e com membrana de permuta protnica. Isto porque estes tipos de clulas so aquelas que apresentam uma maior independncia da performance em relao ao tamanho. Os combustveis com maior potencialidade de utilizao so o metanol e o etanol, devido sua facilidade de armazenamento e de abastecimento [Hirschenhofer et al., 1998].Estas miniaturas de clulas de combustvel, quando disponveis no mercado, iro possibilitar aos consumidores a utilizao de telemveis durante um ms sem a necessidade de recarga elctrica. As clulas de combustvel iro revolucionar o mundo da energia porttil, fornecendo energia durante perodos de tempo muito mais alargados a computadores portteis e equipamentos electrnicos. Outras aplicaes para clulas de combustvel em miniatura so as cmaras de vdeo, agendas electrnicas, televisores portteis, leitores de DVD e todos os outros equipamentos portteis que utilizam energia elctrica [Hirschenhofer et al., 1998].Recentemente, o Instituto de Tecnologia Avanada da empresa Samsung desenvolveu uma clula de combustvel que pode ser utilizada num telemvel. Esta trata-se de uma clula de combustvel com alimentao directa de metanol (CCDM) que produz uma densidade de potncia de 32 mW/cm2. O tamanho desta igual ao de um carto de crdito e a temperatura de funcionamento de 20 C. A transferncia de metanol atravs da MPP foi reduzida em 30%, resultando num aumento da densidade de potncia para 180 mW/cm2a 80 C, 100mW/cm2a 30 C e 32 mW/cm2a 20 C. A empresa ir comercializar esta clula de combustvel em 2004 ou 2005.