ESTUDO E ANÁLISE EXPERIMENTAL DE UM SISTEMA DE …daelt.ct.utfpr.edu.br/engenharia/tcc/monografia_celula... · 2011-09-05 · figura 13 - sistema hÍbrido eÓlico/fotovoltaico.....48

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


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


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


FIGURA 5 - FORMAÇÃO DE ÁGUA NO CÁTODO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL


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


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


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 →++ −+


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


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 →++ −+


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


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


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


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


FIGURA 15 - CÉLULA SOLAR POLICRISTALINA


50

FIGURA 16 - CÉLULA SOLAR AMORFA


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


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


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


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


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



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


Eletrolisador PEM

6

8

10

0

2

4

6

8

10

2

4

0

Lâmpada

A VR


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




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


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



A

H2O 2

VR


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





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





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


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


O2 2 O 22 H


Lâmpada


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



A

H2O 2

VR


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;

108

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;

110

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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ESTUDO E ANÁLISE EXPERIMENTAL DE UM SISTEMA DE …daelt.ct.utfpr.edu.br/engenharia/tcc/monografia_celula... · 2011-09-05 · figura 13 - sistema hÍbrido eÓlico/fotovoltaico.....48