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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA Gilmar Nogueira Junior CÉLULA A COMBUSTÍVEL: UMA ANÁLISE DA VIABILIDADE ECONÔMICA E ENERGÉTICA DOS PRINCIPAIS MODELOS NO MERCADO Natal/RN 2017

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

Gilmar Nogueira Junior

CÉLULA A COMBUSTÍVEL: UMA ANÁLISE DA VIABILIDADE ECONÔMICA E

ENERGÉTICA DOS PRINCIPAIS MODELOS NO MERCADO

Natal/RN

2017

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GILMAR NOGUEIRA JUNIOR

CÉLULA A COMBUSTÍVEL: UMA ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA E ENERGÉTICA DOS PRINCIPAIS MODELOS DE MERCADO

Trabalho de conclusão de curso apresentado

ao departamento de Engenharia Química da

Universidade Federal do Rio Grande do

Norte, como requisito para a obtenção do

Título de Engenheiro Químico.

Orientador: Prof Eduardo Lins De Barros

Neto

Natal/RN

2017

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AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente à Deus, pela oportunidade de evoluir e de me tornar

um ser humano melhor todos os dias, e por ter me dado forças para continuar e

persistir nesse caminho que escolhi percorrer.

À minha família, pelo apoio e pelos ensinamentos durante toda a minha

trajetória, e pelo auxílio nos momentos mais difíceis.

À minha amada, Sara, por todo amor, suporte, paciência, durante todos esses

anos, e por ter sido a minha melhor amiga desde os tempos de escola.

Aos amigos do curso, Jarson, Murilo, Edson, Thiago, Rafhael, Vitor e André

que me acompanharam durante esses anos, desde o desespero das vésperas de

provas, até os intervalos e nos momentos de lazer.

Ao professor Eduardo Lins de Barros Neto, pela orientação durante o

desenvolvimento do presente trabalho.

Aos excelentes mestres que me ensinaram durante a graduação, e

contribuíram diretamente para a minha formação profissional.

Por fim, agradeço a todos que de alguma forma colaboraram para que eu

finalizasse mais um ciclo.

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RESUMO

O presente trabalho realizou uma série de análises qualitativas e quantitativas em modelos de células à combustível. O trabalho consiste de três grandes capítulos: Hidrogênio; Célula a combustível; Nanotecnologia. O capítulo que se trata do hidrogênio irá abordar primeiramente, as características físico-químicas do hidrogênio, em seguida os modelos mais conhecidos responsáveis pela produção do hidrogênio serão demonstrados. Para o capítulo Célula à combustível, irá ser abordado o princípio de funcionamento de uma célula, seguida de características de funcionamento. Posteriormente uma abordagem aos tipos de células à combustível será realizada. Por fim, irá ser demonstrado como encontrar a eficiência teórica máxima e prática. Para o capítulo Nanotecnologia, uma abordagem teoria será efetuada e alguns projetos da nanotecnologia serão abordados. Como resultados, o modelo que mais conseguiu atender aos critérios de seleção foi, para a produção do hidrogênio, foi a eletrólise da água, que apresentou eficiência superiores as 80%. Para o quesito melhor tipo de célula a combustível, o melhor modelo foi a célula à combustível do tipo PEM. Após a seleção do modelo proposto, uma análise qualitativa e quantitativa foi realizada comparando o modelo a um motor a combustão clássico. Como resultado, foi-se observado que, com a utilização de novas práticas da nanotecnologia, modelos que antes eram viáveis apenas a nível teórico, tornou-se viável a nível prático.

Palavras-chave: hidrogênio; célula à combustível; nanotecnologia; análise econômica e energética;

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ABSTRACT

The present work will perform a series of qualitative and quantitative analyzes on fuel cell models. The work consists of 3 major chapters: Hydrogen; Fuel cell; Nanotechnology. The chapter dealing with hydrogen will first address the physico-chemical characteristics of hydrogen, such as combustion and storage conditions, then the most known models responsible for the production of hydrogen will be demonstrated. For the Fuel cell chapter, the working principle of a cell will be addressed, followed by features of operation and advantages and disadvantages. Subsequently an approach to fuel cell types will be performed. Finally, it will be demonstrated how to find maximum theoretical efficiency and practice. For the chapter Nanotechnology, a theory approach will be carried out. In this chapter some nanotechnology projects will be addressed. As results, the model that most successfully met the selection criteria was, for the production of hydrogen, the electrolysis of water, which presented efficiency above 60%. For the best fuel cell type, the best model was the PEM fuel cell. After the selection of the proposed model, a qualitative and quantitative analysis was performed comparing the model to a classic combustion engine. As a result, it was observed that, with the use of new nanotechnology practices, models that were previously only feasible at the theoretical level, became practically feasible.

Keywords: hydrogen; fuel cell; nanotechnology; economic and energy analysis;

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Chama proveniente da queima do hidrogênio .......................................... 15

Figura 2 - construção básica de uma célula: eletrodos, eletrólito, circuito elétrico e

entrada de matéria prima .......................................................................................... 27

Figura 3 - reações ocorridas no ânodo e no cátodo para CC do tipo PEM, havendo

migração do próton H+ através do eletrólito e corrente elétrica que carrega um motor

elétrico. ...................................................................................................................... 27

Figura 4 - reações ocorridas no ânodo e no cátodo para CC do tipo AFC, havendo

migração do íon OH- através do eletrólito e corrente elétrica que carrega um motor

elétrico. ...................................................................................................................... 28

Figura 5 - Uma pilha de 3 células mostrando a conexão entre um ânodo e um cátodo

através de uma placa bipolar .................................................................................... 29

Figura 6 - construção de uma CC utilizando seladores de borda .............................. 30

Figura 7 - gráfico do limite da eficiência encontrado em função da temperatura para

CC e máquina de Carnot com uma temperatura de escape de 50ºC ....................... 38

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - condições de temperatura, pressão e meio eletrolítico para eletrólise

alcalina e de polímero sólido ..................................................................................... 20

Tabela 2 - principais ciclos termoquímicos para a produção do hidrogênio .............. 22

Tabela 3 - comparação entre os modelos de produção de hidrogênio ...................... 23

Tabela 4 - condições de temperatura e eficiência para cada tipo de CC. ................. 35

Tabela 5 - valores de ∆gf em função da temperatura ................................................ 37

Tabela 6 - valores da eficiência encontrados em função do ∆gf ............................... 38

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 10

2. OBJETIVOS .......................................................................................................... 12

2.1. Objetivos gerais .............................................................................................. 12

2.2. Objetivos específicos ...................................................................................... 12

3. METODOLOGIA .................................................................................................... 13

4. HIDROGÊNIO ....................................................................................................... 14

4.1. Combustão .................................................................................................... 15

4.2. Armazenamento ............................................................................................ 16

4.3. Preço de produção ........................................................................................ 16

4.3.1. Produção a partir de combustíveis fósseis .............................................. 17

4.3.2. Eletrólise da água .................................................................................... 19

4.3.3. Hidrogênio a partir da biomassa .............................................................. 21

4.3.4. Ciclos termoquímicos ............................................................................... 21

4.3.5. Resumo das tecnologias de produção ..................................................... 22

5. CÉLULA A COMBUSTÍVEL .................................................................................. 23

5.1. Princípio de funcionamento ........................................................................... 25

5.2. CC em série .................................................................................................. 28

5.3. Vantagens e desvantagens ........................................................................... 31

5.4. Tipos de células a combustível ..................................................................... 31

5.4.1. Direct Methanol Fuel Cell ......................................................................... 32

5.4.2. Alkaline fuel cells ..................................................................................... 32

5.4.3. Phosphoric acid fuel cells ........................................................................ 32

5.4.4. Molten carbonate fuel cells ....................................................................... 33

5.4.5. As células de combustível de óxido sólido ............................................... 33

5.4.6. Proton Exchange Membrane Fuel Cell ..................................................... 34

5.4.7. Comparação entre os modelos de CC ..................................................... 35

5.5. Calculo da eficiência ..................................................................................... 35

5.5.1. Eficiência a partir da Força Eletromotriz .................................................. 39

6. NANOTECNOLOGIA ............................................................................................ 42

6.1. Aplicação em catalizadores de platina .......................................................... 42

6.2. Outras aplicações em CC ............................................................................. 43

7. RESULTADOS ...................................................................................................... 44

7.1. Escolha do melhor modelo ............................................................................ 44

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7.2. Analise quantitativa ....................................................................................... 44

7.2.1. Hidrogênio ............................................................................................... 44

7.2.2. Célula a combustível ................................................................................ 45

7.3. Análise qualitativa ......................................................................................... 45

7.3.1. Hidrogênio ............................................................................................... 45

7.3.2. Célula a combustível ................................................................................ 46

7.3.3. Nanotecnologia ........................................................................................ 46

7.4. Comparação com motores clássicos ............................................................ 47

8. CONCLUSÃO ........................................................................................................ 49

9. REFERÊNCIAS ..................................................................................................... 50

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1 INTRODUÇÃO

As principais crises energéticas enfrentadas no mundo, desde a década de

1970, estão relacionadas diretamente à matriz energética baseada em recursos não

renováveis. O modelo energético mundial está baseado no uso de derivados de

petróleo. Uma crise ambiental em grande escala é apontada pelas mudanças

climáticas decorrentes das emissões dos gases provindos da queima de derivados de

petróleo. A utilização de combustíveis fósseis pode também causar diversos riscos à

saúde. Além disso, esse tipo de combustível não apresenta um bom rendimento

energético. No contexto dos automóveis, a maior parte da energia gerada pela queima

do combustível no motor à combustão é desperdiçada na forma de calor.

Dessa forma, diante dos problemas ambientais e do baixo rendimento

energético dos motores a combustão, questiona-se: A célula à combustível utilizando

o hidrogênio é uma alternativa viável para motores a combustão? Logo, para averiguar

à viabilidade do hidrogênio via célula a combustível, o presente trabalho irá realizar

uma série de análises qualitativas e quantitativas em modelos de células à

combustível, que representam um possível substituto para motores a combustão e

são mais adequados para o uso do hidrogênio. Considerando que os combustíveis

fósseis apresentam os problemas mencionados, é importante estudar o presente

tema, uma vez que o hidrogênio é uma fonte de energia limpa e sustentável, podendo

vir a ser a base da matriz energética mundial.

Para que uma abordagem completa e detalhada seja realizada para as células

a combustível, deve-se primeiramente falar a respeito da sua principal fonte de

combustível, o hidrogênio. O capítulo que se trata do hidrogênio irá abordar alguns

pontos; primeiramente, abordando suas características físico-químicas, como

combustão e condições de armazenamento, questões necessárias para uma análise

qualitativa, e em seguida uma abordagem mais quantitativa, demonstrando os

modelos mais conhecidos responsáveis pela produção do hidrogênio.

Sendo assim, o capítulo posterior ao hidrogênio abordará a respeito das

células a combustível. Para que haja uma melhor compreensão do presente trabalho,

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primeiramente irá ser abordado o princípio de funcionamento de uma célula, seguida

de características de funcionamento e vantagens e desvantagens da utilização da

mesma. Posteriormente uma abordagem aos tipos de células à combustível será

realizada mostrando condições de operação. Por fim, irá ser demonstrado como

encontrar a eficiência teórica máxima juntamente com a eficiência alcançada na

prática. Para que a escolha da célula seja efetivada, deve-se observar o modelo que

mais apresenta viabilidade econômica e energética, de tal forma que se torne

acessível à utilização do mesmo em grande escala.

Dessa forma, no capítulo seguinte ao capítulo “célula à combustível” uma

abordagem teoria será efetuada a respeito da nanotecnologia. Nesse capítulo alguns

projetos da nanotecnologia serão abordados, mostrando soluções para problemas

antes enfrentados pelas células a combustível. Assim sendo, no capítulo “resultados”

uma apuração de todos os capítulos será realizada e por fim, o modelo que mais se

adequou às exigências pré-estabelecidas será selecionado e estudado sua viabilidade

econômica e energética frente a um modelo de motor a combustão.

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2. OBJETIVOS

2.1. Objetivos gerais

Escolher o melhor modelo proposto capaz de solucionar a problemática e

avaliar a viabilidade econômica e energética do modelo;

2.2. Objetivos específicos

• estudar os modelos de produção para o hidrogênio, levando em conta suas

condições de operação, rendimento, e preço de produção;

• estudar os tipos de células a combustíveis disponíveis no mercado, levando em

consideração rendimento teórico e prático, condições de operação,

disponibilidade de produção e áreas de aplicação;

• estudar os projetos propostos pela nanotecnologia que podem viabilizar

economicamente e energeticamente o uso de modelos de células a

combustível;

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3. METODOLOGIA

A metodologia utilizada consiste em realizar análises qualitativas e

quantitativas, que visam levantar dados relevantes para a escolha do melhor modelo

apresentado. Para isso alguns critérios de seleção foram estabelecidos. Após as

análises serem realizadas entre os modelos apresentados, uma outra análise foi

levantada, visando observar o comportamento do modelo escolhido frente a um

modelo clássico de motor a combustão. Nesse item foi levado em consideração

apenas dados relacionados ao processo de operação, deixando o processo de

fabricação com uma análise qualitativa a respeito.

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4. HIDROGÊNIO

Primeiro elemento da tabela periódica, o átomo de hidrogênio é representado

pelo símbolo “H”, sendo constituído por um próton e um elétron, no qual o seu número

atômico é 1 e seu peso atômico é 1,00797 g/mol, sendo, desse modo, o elemento

menos denso da tabela periódica. Na forma de gás, é formado por dois átomos (H2),

e apresenta as características de ser inodoro, incolor e inflamável.

O gás de hidrogênio tem massa molecular de 2,01594g, possuindo densidade

de 0,071g/L, a 0ºC e 1 atm. (ROYAL SOCIETY OF CHEMISTRY, [2017?]). O mesmo

apresenta maior valor de densidade de energia por massa, com um valor aproximado

de 120 e 142 MJ/kg. Isso significa que, para 1 kg de hidrogênio, existe

aproximadamente uma quantidade de energia entre 120 (THOMAS, 2000) e 142MJ,

(BOSSEL; ELIASSON, 2003). O hidrogênio mostra-se como a substância mais

inflamável dentre todas as substâncias que já foram estudadas e analisadas pelos

pesquisadores.

Além disso, apesar da sua insolubilidade perante a água e solventes

orgânicos, o hidrogênio possui solubilidade em meio a vários metais. Desse modo, ele

desempenha um grande papel na metalurgia, devido ao seu potencial de fragilizar

alguns metais.

Esta característica peculiar só existe devido a possibilidade de dissociação do

gás diatômico em átomos livres de hidrogênio a temperaturas elevadas. O átomo livre

de hidrogênio é um poderoso agente redutor, mesmo à temperatura ambiente,

reagindo com óxidos e cloretos de vários metais, como a prata, cobre e mercúrio

(LENNTECH, [2017?]). Devido a esta última característica e também à sua

inflamabilidade, deve-se atentar no modo em que esse gás é estocado.

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4.1. Combustão

Verifica-se que o gás hidrogênio é muito inflamável, conforme mencionado

anteriormente, queimando a concentrações a partir de 4% no ar. Sua equação

balanceada é pode ser visualizada a seguir:

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ

A entalpia de combustão ou calor de combustão (∆Hcº) é de −286 kJ/mol. A

entalpia de combustão é a energia liberada em forma de calor através da queima de

1 mol de qualquer substância, estando os reagentes no estado padrão de temperatura

(25ºC) e pressão (1 atm). Por se tratar de uma reação exotérmica, o ∆Hcº é

representado com o sinal negativo.

O hidrogênio apresenta temperatura de ignição de 560ºC (THE LINDE

GROUP, [2017?]), devido à grande quantidade de energia liberada. A chama

proveniente da queima praticamente não apresenta cor ao espectro da luz visível,

sendo melhor visualizada no ultravioleta.

Figura 1 – Chama proveniente da queima do hidrogênio

Fonte: (BERKELEY LAB, 2007)

Para que ocorra uma melhor detecção, utiliza-se um detector de chama, no

caso, por exemplo, de vazamentos de tanques de hidrogênio.

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4.2. Armazenamento

Observa-se que o armazenamento de hidrogênio basicamente implica na

redução do volume do gás. Para 1kg de hidrogênio nas condições normais de

temperatura e pressão (CNTP), utiliza-se 11 m3. Devido ao grande volume utilizado

por quilograma, o armazenamento do hidrogênio demonstra ser uma das maiores

barreiras no uso generalizado do hidrogênio.

O problema com o armazenamento do hidrogênio é que, apesar do gás

possuir alta densidade energética por grama, ele também detém pouca densidade

energética por volume, tanto na forma líquida como na forma gasosa. Ou seja,

utilizando métodos convencionais como criogenia e tanques de pressão, necessita-se

de tanques maiores para que se atinja uma mesma quantidade de energia que se

alcançaria utilizando combustíveis fósseis. Além disso, no caso de veículos, deve-se

ainda atentar ao peso, ao tamanho do tanque, à segurança e outros fatores.

Assim, visualiza-se que o sistema de armazenamento deve apresentar alta

densidade energética tanto volumétrica quanto gravimétrica; devendo ainda

evidenciar custos reduzidos na produção e manutenção dos tanques; não deve ser

nocivo ao meio ambiente e deve ser bem vedado, para que não ocorra vazamentos

(RIGAS; AMYOTTE, 2012). Suprindo essas necessidades, o hidrogênio já estará um

passo de ser utilizado em grande escala.

Por se tratar de uma nano estrutura, a área superficial de contato entre o

carbono e o hidrogênio se torna maior, podendo assim aumentar a densidade de

armazenamento do hidrogênio e a eficiência do processo sem demandar grandes

gastos.

4.3. Preço de produção

Primeiramente, é importante destacar que a grande vantagem de utilizar o

hidrogênio como combustível é que ele pode ser produzido a partir de várias outras

fontes de energia, como energias renováveis (solar, eólica geotérmica e outras),

combustíveis fósseis (como o gás natural), ou até mesmo energia nuclear.

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A fonte para se encontrar átomos de hidrogênio não é limitada, uma vez que

é o elemento químico mais abundante na natureza, de modo que qualquer substância

que contenha átomos de hidrogênio em sua composição pode produzir hidrogênio

diatômico.

Atualmente, muito do hidrogênio que é produzido tem como finalidade auxiliar

na produção de amônia (para fertilizantes), nas refinarias (onde o hidrogênio atua no

aprimoramento da gasolina), na indústria de alimentos e ainda na metalurgia. Existem

algumas variedades de fontes de energia para que se produza o hidrogênio, são elas:

combustíveis fósseis, eletrólise, fontes renováveis e nuclear.

Os tipos de processos mais importantes citados a seguir serão demonstrados,

simulando plantas de variadas escalas. Dependendo da escala apresentada, a

produção pode apresentar nível centralizado ou ainda nível distribuído. Para curto e

médio prazo, o nível distribuído, que utiliza plantas de pequena escala, se demonstrou

mais eficiente, uma vez que o investimento e a infra-estrutura para transporte e

distribuição nesse nível são menores. Em contrapartida, o nível centralizado, que

utiliza plantas de grande escala, geralmente se torna mais viável quando a demande

de hidrogênio aumenta, reduzindo custos e, para processos que utilizam combustíveis

fósseis, o impacto ambiental também é reduzido.

4.3.1. Produção a partir de combustíveis fósseis

Vislumbra-se que cerca de 96% de toda a produção mundial do hidrogênio é

obtida a partir de combustíveis fósseis (GRIMES; VARGHESE; RANJAN, 2007). A

tecnologia envolvida na produção de hidrogênio a partir desses meios é muito

difundida e amplamente usada.

Apesar de implicarem em um impacto ambiental, os custos de produção são

reduzidos, tornando esse processo de produção mais difundido. A seguir, serão

indicados os processos de reforma catalítica a vapor do Gás Natural a Gasificação do

carvão para um melhor entendimento de como ocorre essa produção.

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4.3.1.1. Reforma catalítica a vapor do Gás Natural

O gás natural é responsável por cerca de 48% de toda a produção do

hidrogênio devido a sua vantagem econômica. A reforma catalítica a vapor consiste

no método mais utilizado para o aproveitamento do gás natural.

A média de eficiência energética desse processo é de 80%, variando de

acordo com o tamanho da planta. Assim, plantas menores entre 1-50 Nm3/h são

desenvolvidas mais especificamente para a integração com células à combustível,

perdendo muito da eficiência da produção e da purificação do gás, enquanto plantas

médias de 200-500 Nm3/h e pequenas de 50-300 Nm3/h são geralmente

desenvolvidas para atender a determinadas atividades da indústria, perdendo

eficiência e aumentando o custo de produção.

Sendo assim, constata-se que o custo de produção pode variar, além de

acordo com o tamanho da planta, com o custo do gás natural. O aumento do gás

natural nos anos que antecederam 2009 causaram um grande aumento no preço do

hidrogênio para plantas de grande tamanho, de modo que o preço variou de 5 €/GJ

para mais de 8 €/GJ em 2009.

Dessa forma, caso o gás natural ainda represente quase metade da produção

do hidrogênio, em 2020 é estimado um aumento do preço do hidrogênio para 20 €/GJ

(COLORADO SCHOOL OF MINES,2015).

4.3.1.2. Gasificação do carvão

A gasificação do carvão é responsável por 18% de toda a produção mundial

de hidrogênio. Com uma eficiência de 60%, a tecnologia utilizada, assim como na

reforma catalítica a vapor, é bastante difundida e estudada. O complexo sistema de

produção do hidrogênio a partir do carvão apresenta um custo maior do que na

reforma catalítica a vapor do gás natural, porém o baixo custo do carvão pode

compensar em certos casos.

O custo do hidrogênio utilizando esse método varia entre 8 e 10 €/GJ (GRAY;

TOMLINSON, 2002). Caso utilize captação e armazenamento de carbono, o preço do

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hidrogênio sobe para 10 a 12 €/GJ. A diferença entre os preços utilizando gás natural

e carvão tendem a diminuir no futuro, uma vez que a gasificação do carvão tem

grandes possibilidade de melhorias no decorrer do desenvolvimento das pesquisas.

4.3.2. Eletrólise da água

A eletrólise é um processo que não produz poluentes, separando a água em

seus constituintes: hidrogênio e oxigênio. Responsável apenas por 4% de toda a

produção mundial, o processo de eletrólise se mostra como o menos competitivo do

que outros processos, devido à utilização de energia elétrica na produção.

Existem diversas tecnologias disponíveis e em desenvolvimento que podem

apresentar um cenário mais promissor para esse método. O processo de eletrólise

consiste no desencadeamento de uma reação química a partir do fornecimento de

uma fonte elétrica externa à reação, sendo o fornecimento da tensão e corrente ligado

aos eletrodos do equipamento. Para a presente reação, dá-se o nome de eletrólise da

água.

H2O(L) + energia → H2(g) + ½ O2(g) (1)

A energia externa que foi fornecida é convertida e armazenada na forma de

hidrogênio. As reações que ocorrem no eletrodo são:

No Cátodo:

2 H2O + 2e- → H2 + 2 OH- (2)

No ânodo:

2 OH- + → ½ O2 + H2O + 2e- (3)

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Tabela 1 - condições de temperatura, pressão e meio eletrolítico para eletrólise alcalina e de polímero sólido

Existem no mercado basicamente dois tipos de eletrólise, a eletrólise alcalina,

que usa uma solução aquosa de hidróxido de potássio (KOH), e eletrólise de polímero

sólido, no qual o eletrólito é uma membrana de polímero, a mesma utilizada em células

à combustível.

A eficiência para eletrólitos alcalinos gira em torno de 62 a 82%, com um custo

de 800 a 1500 €/kW (ENERGY TECHNOLOGY SYSTEM ANALYSIS PROGRAMME,

2014).

O maior problema na utilização da eletrólise como método de produção do

hidrogênio está no custo da energia. Em 2010, hidrogênio produzido a partir de

eletrólise custava 30 €/GJ, a projeção é que em 2030 custe 15 €/GJ, admitindo o preço

da eletricidade de 0.03 €/kWh (ENERGY TECHNOLOGY SYSTEM ANALYSIS

PROGRAMME, 2014).

Uma das vantagens desse método está no nível de distribuição, uma vez que

não importa se a produção é concentrada em uma região (centralizada) ou se é

distribuída, uma vez que a energia elétrica é acessível em diversas regiões. Entretanto

a maior vantagem desse processo consiste em integrar a produção de energias

renováveis com a eletrólise da água. O preço acima apresentado foi levado em

consideração a utilização de eletricidade comercial, porém caso a eletricidade seja

obtida através de meios renováveis, o custo de produção será reduzido a apenas ao

custo de operação. Dessa forma, as principais propostas na utilização do hidrogênio

Eletrólise alcalinaeletrólise de

polímero sólido

eletrólito 25 a 35% de KOHmembrana de

nafion

temperatura

em ºC70 a 90 80 a 150

pressão em bar 1 a 2 acima de 400

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são respeitadas. A grande eficiência do combustível continua sendo atingida assim

como a proposta de combustível com emissão zero de poluentes também.

Deve-se atentar também que, utilizando a eletrólise como meio de produção

do hidrogênio, o custo de produção ali apresentado é aparente. Isso ocorre porque,

caso o hidrogênio seja encarado como uma espécie de bateria, o que é bem verdade,

ele estará desempenhando apenas o papel de armazenar a energia gasta pela

eletrólise, podendo ser devolvida a energia armazenada posteriormente, tornando o

custo de produção apenas proporcional à ineficiência no processo de transformação

da energia.

4.3.3. Hidrogênio a partir da biomassa

O hidrogênio pode ser produzido a partir da biomassa, utilizando diferentes

processos biológicos e termoquímicos. O processo é similar ao processo de

gasificação do carvão, utilizando plantas menores do que as plantas que utilizam o

carvão.

A vantagem é que a biomassa pode ser adquirida de diferentes fontes, como

agricultura, lixo orgânico, desperdício urbano e industrial, dentre outros. O custo de

produção do hidrogênio apresenta grande variedade (entre 10 a 25 €/GJ) devido às

diversas variáveis que influenciam na geração do gás (NATIONAL RENEWABLE

ENERGY LABORATORY, 2011).

4.3.4. Ciclos termoquímicos

O resultado obtido por meio dos ciclos termoquímicos em partes é semelhante

à eletrólise da água. O ciclo termoquímico consiste em quebrar a molécula da água

resultando em oxigênio e hidrogênio gasoso através de diversos ciclos de reação.

Exemplificando, o produto de uma reação é utilizado como reagente da segunda

reação, e o produto da segunda reação, é o reagente da primeira reação, formando

um ciclo com diversas reações em que o único reagente que é de fato consumido é a

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água, tendo como produto hidrogênio e oxigênio gasoso. Alguns dos principais ciclos

são apresentados na tabela 2:

Tabela 2 - principais ciclos termoquímicos para a produção do hidrogênio

A maioria dos ciclos apresentados foram estudados a nível teórico, mas apenas

alguns foram testados na prática. Um dos maiores problemas nesse método são as

reações paralelas que os reagentes e produtos podem causar, devido a isso, a

utilização comercial de ciclos termoquímicos para a produção de hidrogênio está

prevista para 2030 em diante, com um custo estimado entre 10 e 20 €/GJ,

utilizando fontes de energia solar ou nuclear para manter a temperatura de reação,

segundo Funk (1976).

4.3.5. Resumo das tecnologias de produção

Apesar de existirem outros métodos que podem se tornarem promissões no

decorrer dos estudos, a tabela 3 sintetiza os principais métodos responsáveis pela

produção do hidrogênio que foram mencionados:

Ciclos termoquímicos Reações

2 H2O + SO4 + I2 -> H2SO4 + 2 HI

2 HI -> I2 + H2

H2SO4 -> H2O + SO2 + ½ O2

2 MnFe2O4 + 3 Na2CO3 + H2O -> 6 Na(Mn1/3Fe2/3)O2 + 3 CO2 + H2

6 Na(Mn1/3Fe2/3)O2 + 3CO2 -> 2 MnFe2O4 + 3 Na2CO3 + ½ O2

Zn + H2O -> ZnO + H2

ZnO -> Zn + ½ O2

ferrite de manganês

enxofre - iodo

oxido de zinco

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Tabela 3 - comparação entre os modelos de produção de hidrogênio

custo de produção

hoje futuro

biomassa

15 €/GJ

10 a 25

€/GJ

10 a 20

€/GJciclos termoquímicos zero

gasificação do

carvãoalta

8 e 10

€/GJ

eletrólise da água zero

baixa

30 €/GJ

Modelo emissão de

dióxido de

8 €/GJ 20 €/GJ altareforma catalítica

a vapor do gás

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5. CÉLULA A COMBUSTÍVEL

Célula a combustível (CC) é o principal meio para se utilizar o hidrogênio como

combustível. Sua eficiência é muito maior e seu modo de operar é mais seguro do que

em motores a combustão.

Perdas com temperatura, barulho ou movimento dos pistões não acontecem

em CC uma vez que seu princípio de funcionamento não permite tais perdas de

energia. Dessa forma, motores a combustão utilizando hidrogênio como fonte de

combustível são praticamente inexistentes no mercado, sendo a CC dominante no

meio. Vale mencionar que, apesar do não serem muito utilizados, motores clássicos

que utilizam hidrogênio ainda são mais viáveis do que motores convencionais que

utilizam combustíveis fósseis.

A corrente elétrica gerada por esse processo não é exatamente a mesma que

foi utilizada para a eletrólise, uma vez que todos os processos de conversão de

energia existem perdas. O hidrogênio não é queimado, pelo menos não da forma

convencional. O que ocorre é um processo eletroquímico que converte a energia

armazenada no hidrogênio em corrente elétrica, liberando uma pequena quantidade

de calor (uma vez que não apresenta processos mecânicos) e água. A CC pode-se

assemelhar a uma bateria uma vez que o hidrogênio desempenha um processo de

armazenamento e a CC consegue liberar essa energia contida diretamente em

eletricidade. Sendo assim, a utilização da CC pode se tornar uma inovação tanto para

motores clássicos como também para baterias das mais diversas aplicações, inclusive

para o meio automotivo.

Apesar do estudo das CC’s se intensificarem mais recentemente, o surgimento

dessa tecnologia surgiu no século XIX. O primeiro surgimento na literatura a respeito

da CC foi com William Grove (1811 – 1896), na época chamada de Grove cell (fazendo

analogia a “Fuel Cell”, célula a combustível em inglês). Para o experimento, foi

utilizado um eletrodo de zinco em sulfato de zinco e um eletrodo de platina imerso em

ácido nítrico, produzindo amperagem de 12A e voltagem de 1,8 volts (AMERICAN

HISTORY, [2004?]). Ele realizou a eletrólise da água, gerando oxigênio e hidrogênio,

e, após esse processo, ele substituiu a fonte de energia que utilizou para realizar a

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eletrólise por um amperímetro, constatando que uma pequena corrente foi gerada ao

fazer a mudança. Logo, em vez de liberar energia na forma de calor, a CC produz

energia na forma de eletricidade.

O experimento de Grove mostra o princípio do funcionamento de uma CC,

porém o estudo dessa tecnologia foi se intensificando com o passar do tempo de tal

forma que vários tipos de CC surgiram, com as mais diversas aplicações, eficiências

energéticas e econômicas.

Os principais motivos que fazem com que a corrente produzida pela CC

apresentada seja pequena são:

• A superfície de contato entre o hidrogênio, o eletrodo e o eletrólito

• A grande distância entre os eletrodos – apresenta resistência eletrolítica

para o fluxo de corrente elétrica

Sendo assim, para que esses problemas sejam corrigidos, deve-se atentar

principalmente nos eletrólitos. A tecnologia utilizada atualmente, utiliza eletrólitos

compactos, reduzindo drasticamente as possíveis resistências do mesmo.

Consistindo de uma estrutura porosa, o eletrólito varia a sua composição de acordo

com o tipo de CC, podendo, por exemplo, permitir apenas a passagem do proton H+

ou limitar a passagem do mesmo, variado diâmetro de porosidade, composição, preço

e outras variáveis.

5.1. Princípio de funcionamento

A corrente elétrica produzida é melhor entendida quando se é estudado as

reações que ocorrem em cada eletrodo. Esse princípio de funcionamento varia de

acordo com o tipo de CC, porém, como base, estudar-se-á a CC utilizada por Willian

Grove, que utiliza eletrólito ácido.

Na reação presente no anodo (onde ocorre a retirada do elétron), o gás de

hidrogênio é ionizado na presenta de um catalizador (o catalizador mais comum é a

platina) liberando prontos (H+) e elétrons. Segue reação no anodo:

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2 H2 → 4 H+ + 4e- (4)

Essa reação libera uma pequena quantidade de calor. No cátodo (onde elétron

é fornecido ao eletrodo) oxigênio reage com os elétrons e com os prótons presentes

no eletrólito, formando água. Segue reação presente no cátodo.

O2 + 4e- + 4 H+ → 2 H2O (5)

Para que o conjunto de reações ocorra, deve-se interligar os dois eletrodos

através de um circuito elétrico, onde a corrente irá passar. Além disso, o proton H+

deve poder se deslocar de um eletrodo para outro através de um eletrólito, no caso

para CC estudada por William Grove, dá-se o nome para esse eletrólito de Proton

Exchange Membrane (PEM), traduzido para o português como “membrana de troca

protônica”.

Como o próprio nome diz, é uma membrana, geralmente um polímero, que

permite apenas a troca de prótons de um eletrodo para outro. Deve-se ter um controle

muito grande na PEM, uma vez que elétrons ou outras substâncias não devem

penetrar na PEM pois, do contrário, a eficiência da CC será drasticamente afetada,

especificamente no processo de conversão de energia química em energia elétrica e

a vida útil da mesma.

Nota-se que, para manter a equação balanceada, duas moléculas do gás

hidrogênio são necessárias para reagir com uma molécula de oxigênio. Segue a baixo

a estruturação dos eletrodos, eletrólito, circuito elétrico e o fornecimento do

combustível e do comburente de uma CC genérica.

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Figura 2 - construção básica de uma célula: eletrodos, eletrólito, circuito elétrico e entrada de matéria prima

Figura 3 - reações ocorridas no ânodo e no cátodo para CC do tipo PEM, havendo migração do próton H+ através do eletrólito e corrente elétrica que carrega um motor elétrico.

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Nas CC’s do tipo alkaline electrolyte fuel cell (AFC), traduzido para o

português como Célula a combustível de eletrólito alcalino, o princípio de

funcionamento é praticamente o mesmo, o que muda é que, nesse tipo de CC, o

eletrólito permite a passagem apenas de ions hidróxidos (OH-), e o fluxo do íon OH- é

o inverso do fluxo do ion H+ nas CC do tipo PEM. Segue reação no ânodo e no cátodo

respectivamente.

2 H2 + 4 OH- → 4 H2O + 4e- (6)

O2 + 4e- + 2 H2O → 4 OH- (7)

Figura 4 - reações ocorridas no ânodo e no cátodo para CC do tipo AFC, havendo migração do íon OH- através do eletrólito e corrente elétrica que carrega um motor elétrico.

5.2. CC em série

Uma CC genérica gera o equivalente a 0,7 V, o que não se demonstra suficiente

para grandes aplicações. Para resolver esse problema, como já foi citado

anteriormente, utiliza-se CC em série de modo aumentar a voltagem produzida.

Quando esse método é utilizado, dá-se o nome de “stack” (FUELCELLSTORE,

[2017?]), traduzido para o português como pilha de célula a combustível. A forma que

se estrutura uma pilha de CC é um pouco diferente da utiliza em eletrólise em série

por exemplo.

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Como uma CC gera pouca voltagem, caso a pilha simplesmente conectasse a

borda de um ânodo com a borda de um cátodo haveria muitas perdas devido à

resistência do meio. Para que essas perdas não ocorram, deve-se utilizar uma placa

bipolar, fazendo conexão através de toda a superfície do ânodo com toda a superfície

do cátodo de outra célula. Ao mesmo tempo que a placa bipolar reduz perdas com

resistência, ela também proporciona melhor distribuição do oxigênio para o cátodo e

hidrogênio para o ânodo.

Para que a distribuição não ocorra mistura, devesse definir uma direção

diferente para o fornecimento de cada uma das matérias primas como mostra na

imagem 5. O resultado é um sólido bloco onde a corrente elétrica passa, com

eficiência, através dos eletrodos.

Figura 5 - Uma pilha de 3 células mostrando a conexão entre um ânodo e um cátodo através de uma placa bipolar

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Alguns outros modelos de CC trazem ainda uma outra entrada para

resfriamento da célula, uma vez que algumas das células podem se sobre carregar

com o excesso de calor gerado pelas reações eletroquímicas presentes nas células.

Para se atingir maior eficiência, existem modelos em que apresentam maior superfície

de contato, possibilitando maior troca de elétrons entre as partículas sendo esse o

motivo da maior eficiência. Geralmente o maior problema no custo das células está

ligado ao preço do catalizador de platina. A platina é o principal responsável pelo

processo catalítico do hidrogênio.

A figura 5 mostra um processo simplificado de uma CC, entretanto vários outros

problemas devem ser levados em consideração. Prevenir vazamentos e fornecer o

gás é de suma importância para manter o projeto seguro, uma vez que o hidrogênio é

um gás altamente inflamável.

Devido a porosidade do eletrodo, nas bordas dá célula pode ocorrer

vazamentos. Para isso deve-se utilizar bordas seladoras para vedar a célula

devidamente ou ainda utilizar coletores externos (fazendo a célula ocupar mais

espaço, o que não se torna muito comum o uso do mesmo).

Figura 6 - construção de uma CC utilizando seladores de borda

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5.3. Vantagens e desvantagens

A maior desvantagem para todo o tipo de “Fuel Cell” é o custo de produção.

Porém, existem uma série de vantagens que conseguem compensar o custo a médio

ou a longo prazo. Essas vantagens podem variar muito ou pouco de acordo com o

tipo de CC, e destinam para diferentes aplicações. Essas vantagens são a sua

eficiência, simplicidade e silêncio durante a produção.

A CC são geralmente mais eficientes do que motores a combustão. Uma

vantagem adicional é que a eficiência não varia de acordo com a pilha de CC, visto

que a eficiência está atrelada a uma célula, e não ao conjunto da mesma.

Além disso, a forma de operação da CC é muito simples, sem partes móveis

ou engrenagens complexas, proporcionando a existência de sistemas mais

duradouros e confiáveis.

As CC são muito silenciosas, mesmo aquelas com amplos equipamentos de

processamento de combustível extra. Isso é muito importante em ambas as

aplicações de energia portáteis e para a geração de energia local em sistemas

combinados de calor e energia (FUELCELLTODAY,[2017?]).

5.4. Tipos de células a combustível

Diversos tipos de CC foram desenvolvidas para que a abrangência de suas

aplicações aumente. As diferenças entre as CC estão, principalmente, nos eletrólitos.

Seis grandes tipos de CC foram desenvolvidas, duas já apresentadas anteriormente,

a célula alcalina e a ácida.

Uma das vantagens de apresentar uma variedade de CC é poder solucionar

problemas encontrados em modelos anteriores, mudando algumas condições. Por

exemplo, problema como eficiência em alguns modelos podem ser resolvidos em

modelos que usam condições de temperatura e pressão diferentes, bem como

matérias diferentes, como a cerâmica. Desse modo, alguns dos modelos são mais

indicados para determinadas tarefas do que outros. Por exemplo, células de baixa

temperatura são mais aplicadas em veículos automotivos, já células que utilizam

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material cerâmico são utilizadas em industrias por exemplo, uma vez que não

apresentam impacto que poderia danificar a célula.

5.4.1. Direct Methanol Fuel Cell

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC), são alimentadas por metanol puro, que

geralmente é misturado com água e alimentado diretamente ao ânodo da célula de

combustível. As células desse tipo não têm muitos dos problemas de armazenamento

de combustível típicos de alguns sistemas de CC porque o metanol não é tão reativo

e apresenta maior densidade mássica, o que facilita a manipulação. O metanol

também é mais fácil de transportar e fornecer ao público usando nossa infraestrutura

atual porque é um líquido, como a gasolina. Os DMFCs são freqüentemente usados

para fornecer energia para aplicações de células de combustível portáteis, como

telefones celulares ou computadores portáteis.

5.4.2. Alkaline fuel cells

Essas células de combustível usam uma solução de hidróxido de potássio na

água como eletrólito e podem usar uma variedade de metais não preciosos como

catalisador no ânodo e no cátodo. Essas células de combustível estão intimamente

relacionadas às células de combustível PEM convencionais, exceto que usam uma

membrana alcalina em vez de uma membrana ácida. Apresenta como desvantagem

a intoxicação por dióxido de carbono (CO2). Mesmo pequenas quantidades de CO2

no ar pode afetar drasticamente o desempenho e a durabilidade das células devido à

formação de carbonato.

5.4.3. Phosphoric acid fuel cells

As células de combustível de ácido fosfórico (PAFCs) usam o ácido fosfórico

líquido como um eletrólito - o ácido está contido numa matriz de carboneto de silício

com ligação de Teflon e eletrodos de carbono porosos contendo um catalisador de

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platina. Os PAFCs são mais tolerantes às impurezas nos combustíveis fósseis. Os

PAFCs são mais de 85% eficientes quando utilizados para a co-geração de

eletricidade e calor, mas são menos eficientes na geração de energia elétrica sozinha

(37% -42%) segundo Sotouchi e Hagiwara (2009).

5.4.4. Molten carbonate fuel cells

As células de combustível de carbonato fundido (MCFCs) são células de

combustível de alta temperatura que utilizam um eletrólito composto por uma mistura

de sal de carbonato fundido suspensa em uma matriz de óxido de alumínio e lítio

cerâmico quimicamente inerte e porosa. Como eles operam a altas temperaturas de

650 ° C, os metais não preciosos podem ser usados como catalisadores no ânodo e

no cátodo, reduzindo os custos. A principal desvantagem da tecnologia MCFC atual é

a durabilidade. As altas temperaturas nas quais essas células funcionam e o eletrólito

corrosivo utilizado aceleram a degradação e corrosão dos componentes, diminuindo

a vida celular.

5.4.5. As células de combustível de óxido sólido

As células de combustível de óxido sólido ( em inglês solid oxide fuel cells -

SOFCs) utilizam um composto cerâmico duro e não poroso como o eletrólito. Os

SOFCs são cerca de 60% eficientes na conversão de combustível para eletricidade.

Em aplicações projetadas para capturar e utilizar o calor residual do sistema (co-

geração), as eficiências globais de uso de combustível podem superar 85%. Os

SOFCs operam a temperaturas muito elevadas, atingindo 1.000 ° C (1,830 ° F)

(GARRISON, [2017?]). A operação de alta temperatura remove a necessidade de

catalisador de metais preciosos, reduzindo assim o custo.

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5.4.6. Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Também chamado de Polymer electrolyte membrane (traduzido no português

como “membrana eletrolítica de polímero”), a PEM é considerada a célula mais

compacta do mercado. Capaz de entregar uma alta potência, ela apresenta a

vantagem de ser mais leve do que outras células. Em sua composição ela apresenta

um polímero como eletrólito, e como o nome sugere, esse polímero permite a

passagem apenas do proton H+. Além do polímero, a PEM utiliza, na maioria dos

casos, platina como catalizador, o que encarece a CC como um todo. Para sua

operação, utiliza-se hidrogênio puro e oxigênio, podendo esse último ser “ar”.

PEM é considerada uma CC de baixa temperatura, uma vez que opera a

temperaturas próximas de 60 a 80ºC (SIGMA ALDRICH, [2017?]). As vantagens de

se operar a baixa temperatura é que, para se dar partida, não necessita-se de um pré-

aquecimento demorado no moto, tornando a partida mais rápida e permitindo que a

CC tenha uma maior durabilidade. Entretanto esse tipo de célula apresenta como

desvantagem os catalizadores de platina que, além de serem caros, também são

extremamente sensíveis ao monóxido de carbono, o que limita a distribuição do

hidrogênio. Isso ocorre pois, caso ele seja derivado de algum hidrocarboneto, deverá

então utilizar um reator para reduzir o monóxido de carbono que estará presente no

gás.

Entre os vários tipos de células de combustível, a PEM é a tecnologia mais

adequada para aplicações de transporte, devido às suas características como baixa

temperatura de operação, alta densidade de potência, inicialização rápida e resposta

rápida às mudanças de carga. Além dessas características, a sua eficiência apresenta

ser uma das melhores do mercado, chegando a ultrapassar os 60% de eficiência,

sendo esses os principais motivos pela escolha dessa célula como objeto de estudo

do presente trabalho.

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5.4.7. Comparação entre os modelos de CC

Segue abaixo tabela com as condições de temperatura e eficiência para cada

tipo de CC.

5.5. Calculo da eficiência

A eficiência é um dos principais parâmetros utilizados no presente trabalho

para a escolha do melhor modelo. Para isso, devesse realizar um estudo que permite

fazer essa análise com clareza. Para analisar se o modelo é viável, não basta analisar

a eficiência entre os modelos apresentados, deve-se ir além e comparar os modelos

com motores já conhecidos, como motores de calor. Primeiramente um cálculo teórico

será feito, no qual o limite da eficiência será apresentado.

Um exemplo mais conhecido de um limite de eficiência é o de motores de

calor - como turbinas a vapor e a gás. Se a temperatura máxima do motor térmico for

T1 e o líquido aquecido for liberado à temperatura T2, então Carnot mostrou que a

eficiência máxima possível é

Limite de Carnot = (T1 – T2)/T1 (8)

A temperatura está em Kelvin, onde T1 é a temperatura da fonte quente e T2

é a temperatura da fonte fria e a temperatura ambiente é de 290 K. Como exemplo,

para uma turbina a vapor que opera a 400°C (675 K), com a água esgotada através

de um condensador a 50°C (325 K), o limite de eficiência de Carnot é

DMFC AFC PAFC MCFC SOFC PEM

eletrólitomembrana de troca

de ion polimérica

hidróxido de

potássio

hidróxido de

potássio

carbonato de

lítio/ potassio

mistura de sal

de carbonato

membran de troca

protônica

temperatura 70 - 100ºC 60 - 120ºC 160 - 220ºC 600 - 650ºC 900 - 1000ºC 70 - 100ºC

eficiência 25 - 40% 60% 40 - 50% 45 - 55% 45 - 60% 60%

Tabela 4 - condições de temperatura e eficiência para cada tipo de CC.

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36

(9)

A razão para este limite de eficiência para motores de calor não é

particularmente misteriosa. Essencialmente, deve haver energia calorífica

proporcional à temperatura inferior T2, que é sempre "jogada fora" ou desperdiçada.

Com a célula de combustível, a situação não é tão clara. É bem sabido que as células

de combustível não estão sujeitas ao limite de eficiência de Carnot. Na verdade, é

comum supor que, se não houvesse "irreversibilidades", a eficiência poderia ser de

100%, e se fosse definido a eficiência de maneira particular. Dessa forma, a eficiência

é definida como:

(10)

No entanto, essa fórmula apresenta ambigüidades, pois existem dois valores

diferentes que podemos usar para ∆hf. Para a "queima" de hidrogênio.

(11)

enquanto que se a água do produto é condensada de volta ao líquido, a reação é

(12)

A diferença entre estes dois valores para ∆hf (44,01 kJ mol-1) é a entalpia

molar de vaporização da água (TERMOQUÍMICA, [2017?]).. O valor mais alto é

chamado de “higher heating value”, em português, “maior valor de aquecimento”

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37

(HHV), e o mais baixo, “lower heating value”, em português, o “valor de aquecimento

menor” (LHV). Qualquer declaração de eficiência deve dizer se se relaciona com o

valor de aquecimento mais alto ou mais baixo. Se essa informação não for fornecida,

o LHV provavelmente foi usado, pois isso dará uma maior eficiência. Agora pode-se

ver que existe um limite para a eficiência, se ela for definida como na equação (10),

então a energia elétrica máxima disponível é igual à mudança na energia livre de

Gibbs, logo,

(13)

Este limite de eficiência máxima é conhecido também como eficiência

termodinâmica. A Tabela 5 dá os valores para ∆gf encontrados na literatura, em

relação ao HHV, para uma célula de combustível de hidrogênio em função da

temperatura.

Tabela 5 – valores de ∆gf em função da temperatura

Realizando o cálculo da eficiência a partir da equação (13), onde ∆hf é -285,84

kJ/mol, tem-se que o limite da eficiência encontrado para células a combustível é, para

os determinados pontos:

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Tabela 6 - valores da eficiência encontrados em função do ∆gf

Plotando os dados encontrados e comparando-os com os dados para a

máquina de Carnot com uma temperatura de escape de 50°C, tem-se:

Figura 7 - gráfico do limite da eficiência encontrado em função da temperatura para CC e máquina de Carnot com uma temperatura de escape de 50ºC

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39

O gráfico da Figura 7 mostram como esses valores variam com a temperatura

e como eles se comparam com o "limite de Carnot". Três pontos importantes devem

ser observados.

Embora o gráfico e a tabela sugiram que as temperaturas mais baixas são

melhores, as perdas de tensão discutidas no Capítulo 3 são quase sempre menores

a temperaturas mais elevadas. Portanto, na prática, as tensões das células de

combustível são geralmente mais elevadas a temperaturas mais elevadas.

Além disso, o calor residual das células de temperatura mais alta é mais útil

do que a partir de células com temperatura baixa.

Por fim, nota-se que as células de combustível não têm sempre um limite de

eficiência maior do que os motores de calor, como observa-se no gráfico na

temperatura 650ºC em diante.

5.5.1. Eficiência a partir da Força Eletromotriz

Sabendo que dois elétrons passam pelo circuito externo para cada molécula de água

produzida e cada molécula de hidrogênio usada, então, para um mol de hidrogênio

usado, 2N de elétrons passam pelo circuito externo - onde N é o número da Avogadro.

Se “e” é a carga em um elétron, então a carga que flui é:

- 2 Ne = - 2 F (14)

F sendo a constante de Faraday, ou a carga em uma mole de elétrons. Se E é a tensão

da célula de combustível, então o trabalho elétrico realizado ao redor do circuito é:

Trabalho elétrico realizado = carga x voltagem = -2FE (15)

Se o sistema for reversível (ou não tiver perdas), então este trabalho elétrico será igual

à energia livre de Gibbs liberada. Assim, tem-se:

(16)

Logo,

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(17)

Esta equação fundamental dá a força eletromotriz (EMF) ou a tensão de circuito aberto

reversível da célula de combustível de hidrogênio.

Existe uma conexão entre a EMF máxima de uma célula e sua eficiência

máxima. A tensão de operação de uma célula de combustível também pode ser muito

facilmente relacionada à sua eficiência. Isso pode ser mostrado adaptando a equação

(17). Se toda a energia do combustível de hidrogênio, seu valor calorífico, valor de

aquecimento ou entalpia de formação, fossem transformadas em energia elétrica,

então a EMF seria dada por:

𝐸 = −(−285,84)

96,485= 1,48 𝑉, 𝑢𝑠𝑎𝑛𝑑𝑜 𝐻𝐻𝑉 (18)

Caso usasse o valor de LHV, “E” seria igual a 1,25 V.

Estas são as tensões que seriam obtidas a partir de um sistema 100%

eficiente, com referência ao HHV ou LHV. A eficiência real da célula é então a tensão

real dividida por esses valores,

Eficiência da célula = VC/1,48 * 100% (usando como referencia HHV) (19)

No entanto, na prática, verifica-se que nem todo o combustível que é alimentado a

uma célula de combustível é usado. Um coeficiente de utilização de combustível pode

ser definido como

(20)

Isto é equivalente à razão da corrente da célula de combustível e da corrente

que seria obtida se todo o combustível fosse reagido. A eficiência das células de

combustível é, portanto, dada por

(21)

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Uma boa estimativa para μf é 0,95, o que permite que a eficiência de uma célula de

combustível seja estimada com precisão a partir da medida muito simples de sua

voltagem.

5.5.1. Calculo da eficiência para o modelo PEM

A PEM opera à baixas temperaturas e, de acordo com o gráfico de eficiência

máxima, nota-se que a faixa de operação da PEM é a melhor faixa de se operar. É

importante notar que à baixas temperaturas existe uma resistência maior para que a

corrente passe, por outro lado, é à baixas temperaturas que com o avanço da

tecnologia pode-se alcançar eficiências maiores. Além desse fator, existe a aplicação

desse modelo. Como foi apresentado anteriormente, existem diversas aplicações para

a PEM, mas a aplicação que pode causar maior impacto no cotidiano é a sua aplicação

para veículos automotivos. Sendo esses os motivos pela escolha desse modelo.

Tendo em vista isso, uma típica célula a combustível do tipo PEM produz voltagem na

ordem de 0,89 a 1,08V. Dessa forma, a variável necessária para que a equação (21)

seja realizada foi adquirida, uma vez que o coeficiente de combustível utilizado foi

considerado como sendo 0,95.

𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎 = 0,95 ∗ 1,08

1,48∗ 100% = 69%

Desse modo foi encontrado uma eficiência na ordem de 69%, utilizando 1,08V

como parâmetro.

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6. NANOTECNOLOGIA

A nanotecnologia é a manipulação da matéria em uma escala atômica,

molecular e supramolecular, sendo definida como a manipulação de matéria com pelo

menos uma dimensão de 1 a 100 nanômetros.

Esta definição reflete o fato de que os efeitos mecânicos quânticos são

importantes nesta escala do universo quântico e, portanto, a definição mudou de um

objetivo tecnológico particular para uma categoria de pesquisa, incluindo todos os

tipos de pesquisa e tecnologias que lidam com as propriedades especiais da matéria

que ocorrem abaixo do limite de tamanho dado.

A nanotecnologia, tal como definida pelo tamanho, é, naturalmente, muito

ampla, incluindo campos de ciência tão diversos como ciências da superfície, química

orgânica, biologia molecular, física de semicondutores, armazenamento de energia,

micro fabricação, engenharia molecular, etc.

As pesquisas e aplicações associadas são igualmente diversas, desde

extensões da física de dispositivos convencionais a abordagens completamente

novas baseadas na automontagem molecular, desde o desenvolvimento de novos

materiais com dimensões na nano escala até o controle direto da matéria na escala

atômica.

6.1. Aplicação em catalizadores de platina

As células de combustível modernas têm o potencial de revolucionar o

transporte. Uma das principais tecnologias de células de combustível desenvolvidas,

em particular para aplicações de transporte, é a célula de combustível do tipo PEM.

Como essas células de combustível funcionam a uma temperatura baixa, precisam de

catalisadores para gerar correntes úteis com alto potencial. Atualmente, os

catalisadores à base de platina são os mais utilizados nos protótipos de células de

combustível PEM. No entanto, este metal é caro devido à sua oferta limitada e seu

preço é altamente volátil. Isso cria uma das principais barreiras que impedem a

comercialização de PEM - a falta de materiais adequados para torná-los acessíveis.

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Um catalisador de platina faz com que as reações das células de combustível

à temperaturas mais baixas ocorram mais facilmente. Uma maneira que a

nanotecnologia pode melhorar a eficiência das células de combustível envolve a

melhoria do catalisador. É sabido que o espaçamento entre nanopartículas de platina

afeta o comportamento catalítico e, ao controlar a densidade das nanopartículas de

platina, pode-se reduzir a quantidade de platina necessária. Para isso, utiliza-se a

nanotecnologia para aumentar a superfície disponível para reações, tornando a

reação mais eficiente - e menos dispendiosa porque é necessário menos platina.

Dessa forma é possível utilizar cerca de 80% menos de platina para a construção dos

catalizadores das CC.

6.2. Outras aplicações em CC

A nanotecnologia pode melhorar a eficiência das células de combustível de

outras maneiras também. As células de combustível requerem o movimento dos íons

através das membranas. Ao usar nanoporos, você pode limitar o que atravessa as

membranas e assim, podendo controlar melhor a reação que ocorre.

A nanotecnologia pode também produzir tanques de armazenamento de

hidrogênio pequenos e leves o suficiente para usar em carros. O hidrogênio se liga

facilmente ao carbono, o que possibilita o armazenamento de hidrogênio no grafeno.

Como o grafeno é apenas um átomo de espessura, possui a maior exposição à

superfície do carbono por peso de qualquer material. A elevada energia de ligação do

hidrogênio ao carbono e a elevada exposição da área superficial do carbono tornam

o grafeno um bom candidato para armazenar hidrogênio (AZONANO, 2012).

.

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7. RESULTADOS

7.1. Escolha do melhor modelo

Diante de todos os modelos apresentados, necessita-se a escolha do melhor

modelo ou ainda o modelo que pode proporcionar maior custo benefício. Diante disso

foram realizados alguns critérios de seleção. Fora levado em conta os possíveis

impactos ambientais que o modelo pode causar; a eficiência apresentada do mesmo;

a disponibilidade da matéria prima para a produção (no caso do hidrogênio); O preço

de produção (hidrogênio); maior aplicação ao cotidiano; pesquisas mais

desenvolvidas na área.

Para que a escolha seja efetivada, foram realizados dois tipos de análises;

uma análise quantitativa, ou seja, levando em conta dados levantados pela literatura;

e uma análise qualitativa, que visa analisar as interações dos modelos bem como a

forma que eles se comportam.

7.2. Analise quantitativa

7.2.1. Hidrogênio

A analise quantitativa referente ao hidrogênio restringe muito mais em relação

aos preços de produção. Diante dos 6 modelos propostos, os dois modelos que mais

se destacaram em termos de viabilidade econômica e energética foram a reforma

catalítica a vapor do gás natural e a gasificação do carvão. A reforma catalítica a vapor

do gás natural apresentou eficiência no processo de produção de 80%, e preço de

produção de 8 €/GJ em 2009. Já para a gasificação do carvão, o processo apresentou

eficiência em torno de 60%, porém, como a matéria prima é barata, o seu preço de

produção gira em torno de 8 a 10 €/GJ.

Apesar desses dois modelos terem se destacado no quesito viabilidade

econômica e energética, o modelo escolhido foi a eletrólise da água. A eficiência da

produção de hidrogênio a partida da eletrolise consegue alcançar os 82%, com um

custo de 15 €/GJ. Entretanto, apesar de os valores dizerem o contrário, o custo de

fato está atrelado apenas à ineficiência do processo. Isso acontece pois, uma vez que

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no processo de eletrólise o hidrogênio se comporta como bateria, então é bem

verdade considerar que a energia armazenada no gás pode ser devolvida a fonte de

energia, tornando o processo apenas uma questão de “armazenar” a energia gasta

no processo, o que não se consiste de fato um custo. É importante notar também que

processos laboratoriais já são capazes de alcançar altas eficiências e que estarão

viáveis industrialmente nos anos posteriores.

7.2.2. Célula a combustível

A análise quantitativa para os modelos de célula a combustível apresentados

está restrita a: eficiência dos modelos na prática; temperatura de operação e a

eficiência teórica alcançável. Dentre os 6 modelos apresentados, o modelo escolhido

foi o PEM. Apesar de existirem outros modelos que conseguem alcançar o mesmo

valor de eficiência real, esse é o único modelo que apresenta a maior eficiência teórica

alcançável. Na prática, sua eficiência alcança 60%, porém, como foi visto no sub

tópico Cálculo da eficiência, a sua eficiência teórica é capaz de ultrapassar os 80%, o

que torna o modelo mais viável ainda no decorrer dos anos, com o avanço da

tecnologia. É importante notar que sua temperatura de operação também é uma das

menores, tornando gastos energéticos com temperatura menores ainda.

7.3. Análise qualitativa

7.3.1. Hidrogênio

A análise qualitativa a respeito do modelo escolhido foi feita com base nos

possíveis impactos que o tipo de produção pode causar ao meio ambiente. Também

foi levado em conta a facilidade em encontrar matéria prima para a produção do

mesmo e também a expectativa do mercado para a utilização do modelo proposto. O

modelo que mais atendeu aos critérios antes estabelecidos foi a eletrólise da água. A

eletrólise se demonstrou ser o modelo que apresenta menor impacto ambiental, uma

vez que o mesmo utiliza água e energia como matéria prima e como produto apenas

oxigênio e hidrogênio. Apesar de o intuito do modelo é produzir hidrogênio, a eletrólise

da água leva vantagem pois também produz o comburente necessário para a “queima”

do hidrogênio. Além desse fator, a disponibilidade que esse processo apresenta para

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poder operar é a maior de todas, comparando com outros modelos. Energia elétrica é

possível encontrar através de diversas fontes e o mesmo vale para a água. Outro

adendo a esse modelo é que, caso utilize energias renováveis para a produção do

mesmo, como energia eólica e energia solar, o “custo” encontrado na análise

quantitativa pode ser praticamente desconsiderado, uma vez que apresentaria fonte

de energia “gratuita”.

7.3.2. Célula a combustível

A análise qualitativa em relação aos modelos de CC está estritamente ligada

a forma que esse modelo é aplicado. Dentre os 6 modelos proposto, o modelo que

mais se destacou foi a PEM, membrana de troca protônica. A PEM apresenta a

aplicação que mais pode causar impacto no cotidiano. Ela opera a temperatura baixas,

é compacta e leve, o que torna ela viável na utilização de veículos motorizados, sendo

esse o principal motivo pela escolha desse modelo.

7.3.3. Nanotecnologia

Todas as 3 propostas apresentadas que possibilitam aplicação para otimizar

as CC são viáveis, porém a proposta que mais afeta a viabilidade da CC como um

todo está ligada aos catalizadores de platina. A nanotecnologia quando aplicada em

CC a partir de nanopartículas de platina é capaz de reduzir drasticamente o custo da

CC, uma vez que a platina demonstra ser o componente mais caro dentre todos os

componentes da CC. Para se ter uma idéia, caso uma pilha de CC utilizasse 500

gramas de platina para operação da mesma, com o uso da nanotecnologia nos

catalizadores de platina haveria uma utilização de apenas 100 gramas de platina. O

preço da platina por grama está em torno de 97,08 reais (BULLION RATES, 2017) o

que equivaleria, nesse exemplo citado, uma economia de 38.832,00 reais para a CC,

o que viabilizaria todos os modelos citados que utilizam platina como catalizador.

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47

7.4. Comparação com motores clássicos

No início do tópico Cálculo da eficiência uma comparação entre as CC’s e os

motores clássicos de Carnot foi realizado a nível de eficiência. Entretanto a

comparação realizada foi a nível teórico e não levava em conta as condições de

operação, muito menos uma análise econômica. Dessa forma, foram retirados alguns

dados da literatura para que uma comparação mais detalhada a nível energético e

econômico seja realizado entre o modelo escolhido e o modelo de motores clássicos

usados em motores a gasolina. A comparação será feita restringindo a aplicação a

apenas veículos motorizados, não levando em conta, pelo menos a nível quantitativo,

o custo de manutenção nem o custo de fabricação do motor. Os itens que forem

citados que tratarão a respeito do custo de produção terão caráter apenas qualitativo,

e não serão levados em conta para de fato concluir a viabilidade econômica e

energética do modelo escolhido.

Tendo em vista isso, primeiramente irá ser realizado uma comparação a nível

do combustível. Para que o presente calculo seja realizado, deve-se obter duas

variáveis, o preço da gasolina por litro, e posteriormente a quantidade de energia por

litro de gasolina. O preço da gasolina em média na Europa custa 1,21 €/L

(AUTOTRAVELER, 2017), a densidade energética da gasolina é de 34.2MJ/L, logo, a

quantidade de euros por energia é de:

(1,21 €/L) / (34.2MJ/L) = 35,38 €/kJ

Comparando ao hidrogênio, tem-se que o custo de produção de hidrogênio

para o modelo escolhido é de 15 €/GJ, entretanto deve-se utilizar o valor do hidrogênio

comercial produzido a partir da eletrólise, sendo assim, encontra-se 9,90 €/kg de

hidrogênio (ITMPOWER, 2011), no qual apresenta 142 MJ/kg. Sendo assim:

(9,90 €/kg) / (142 MJ/kg) = 69,71 €/kJ

Comparando os valores em termos de preço do combustível, nota-se que a

gasolina apresenta quase 50% de vantagem em cima do hidrogênio.

Para a comparação dos motores, utilizou-se um motor clássico a gasolina,

que apresenta eficiência em torno de 22% (RIBEIRO,2015), e o modelo escolhido da

CC apresentou eficiência de 60%.

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Sendo assim, para que 1 kJ seja aproveitado, deve-se gastar 4,54 kJ nos

motores clássicos, o que daria 160,81 €.

Para o caso do modelo escolhido da CC, para que 1 kJ seja aproveitado, deve-

se gastar na CC 1,66 kJ, o que daria 116,18 €.

Além dessas comparações quantitativas vale notar que com o uso de algumas

propostas apresentadas pelo o uso da nanotecnologia pode-se reduzir drasticamente

o preço do hidrogênio, uma vez que a nanotecnologia apresenta possíveis mudanças

para o transporte do gás, armazenamento, maior eficiência da CC e também influencia

diretamente no preço de produção da CC, o que pode torna-la mais fácil na sua

comercialização.

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8. CONCLUSÃO

Diante do que foi apresentado, tendo em vista todos os modelos apresentados

e analisados, o modelo escolhido, sendo ele a utilização da eletrólise como produtor

do hidrogênio bem como a utilização de PEM como CC, é possível notar que, ao

compara-lo com um motor clássico, a sua viabilidade econômica energética é

alcançada. É importante perceber que, mesmo que a gasolina apresenta vantagem

em relação ao hidrogênio, quando se parte para o âmbito da eficiência dos motores,

é notável que esse desequilíbrio é invertido, tornando a CC mais competitiva no

mercado atual. É notório também que a aplicação da nanotecnologia nesse modelo é

capaz de intensificar mais ainda essa viabilidade. A utilização desse modelo é capaz

de reduzir drasticamente o aumento das emissões de CO2 bem como trazer diversos

tipos de benefícios para a sociedade, uma vez que um dos requisitos para a escolha

do modelo foi atender à necessidade ambientais. O que fazia desse modelo não viável

está relacionando diretamente ao custo de produção da CC, bem como a forma de

armazenar o hidrogênio, porém, com as soluções apresentadas, essa deficiência é

suprida.

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9. REFERÊNCIAS

AMERICAN HISTORY. Fuel Cell Origins: 1840-1890, [2004?] Disponível em:

<http://americanhistory.si.edu/fuelcells/origins/origins.htm>. Acesso 10 nov. 2017.

AUTOTRAVELER. Fuel price in Europe 2017, 2017. Disponível em:

<https://autotraveler.ru/en/spravka/fuel-price-in-europe.html#.WhdGdkpKvIV>.

Acesso em 10 nov.2017.

AZONANO. Nanotechnology in Fuel Cells,jun.2012. Disponível em:<

https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=3032> Acesso em: 12 nov.2017.

BOSSEL, Ulf; ELIASSON, Baldur. Energy and the Hydrogen Economy.ABB

Switzerland Ltd. 2003. Disponível em

<https://www.afdc.energy.gov/pdfs/hyd_economy_bossel_eliasson.pdf>. Acesso em

12 out.2017.

BULLIONRATES. Preços Atuais da Platina em Reais Brasileiros (BRL),2017.

Disponível em:< https://pt.bullion-rates.com/platinum/BRL/spot-price.htm>. Acesso 10

nov.2017.

COLORADO SCHOOL OF MINES. Light, Water, Hydrogen: The Solar Generation of

Hydrogen by Water Photoelectrolysis, jan,2015. Disponível em:

<http://inside.mines.edu/~jjechura/EnergyTech/07_Hydrogen_from_SMR.pdf>

Acesso 10 nov.2017.

CHEN, Allan. Berkeley Lab’s Ultraclean Combustion Technology For Electricity

Generation Fires Up in Hydrogen Tests. Disponível em: <

http://newscenter.lbl.gov/2007/08/01/berkeley-labs-ultraclean-combustion-

technology-for-electricity-generation-fires-up-in-hydrogen-tests/>. Acesso em 22 out.

2017.

Page 51: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE …monografias.ufrn.br/jspui/bitstream/123456789/5298/1/Celulaacombustivel...encontrar a eficiência teórica máxima juntamente com a eficiência

51

RIBEIRO. Renato.EM. Motores de carro e rendimento,jul.2015. Disponível em :<

https://www.em.com.br/app/noticia/especiais/educacao/enem/2015/07/20/noticia-

especial-enem,670313/motores-de-carro-e-baixo-rendimento.shtml>. Acesso em :12

nov.2017.

ENERGY TECHNOLOGY SYSTEM ANALYSYS PROGRAMME. Hydrogen

Production & Distribution, fev. 2014. Disponível em: <https://iea-etsap.org/E-

TechDS/PDF/P12_H2_Feb2014_FINAL%203_CRES-2a-GS%20Mz%20GSOK.pdf>

Acesso 10 nov. 2017.

FUELCELLSTORE. Fuel Cell Stacks, [2017?]. Disponível em: <

http://www.fuelcellstore.com/fuel-cell-stacks>. Acesso 10 nov.2017.

FUELLCELLTODAY. Benefits, [2017?]. Disponível em:

<http://www.fuelcelltoday.com/about-fuel-cells/benefits>. Acesso 10 nov. 2017.

FUNK, James.E.Thermochemical process for the production of hydrogen from

water. Technical Report Grant No NGR 18-001-086, NASA-Lewis. Kentucky,1976.

MYPAGES. GARRISON, Earnest. Solid Oxide Fuel Cells, [2017?]. Disponível em: <

http://mypages.iit.edu/~smart/garrear/fuelcells.htm>. Acesso em 10 nov.2017.

GRAY, D.; TOMLINSON, G. Hydrogen from coal. MTR 2002-31, 2002. Disponível

em:

<http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.143.5431&rep=rep1&type

=pdf>. Acesso em: 10 nov.2017.

GRIMES, Craig; VARGHESE, Ooman; RANJAN, Sudhir. Light, Water, Hydrogen:

The Solar Generation of Hydrogen by Water Photoelectrolysis. Pennsylvania:

Springer, 2007.

Page 52: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE …monografias.ufrn.br/jspui/bitstream/123456789/5298/1/Celulaacombustivel...encontrar a eficiência teórica máxima juntamente com a eficiência

52

ITMPOWER. HFUEL COST STRUCTURE, nov.2011. Disponível em: <http://www.itm-

power.com/news-item/hfuel-cost-structure>. Acesso 12 nov.2017.

LENNTECH. Hydrogen, 2017. Disponível em:

<https://www.lenntech.com/periodic/elements/h.htm>. Acesso em 19 out. 2017.

NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY. Systems Integration, out.

2011. Disponível em: <https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/51726.pdf>.Acesso em

15 nov.2017.

RIGAS, Fotis; AMYOTTE, Paul. Hydrogen Safety. Boca Raton: CRE PRESS/Taylor

& Francis Group, 2012.

ROYAL SOCIETY OF CHEMISTRY. Hydrogen, 2017.Disponível em

<http://www.rsc.org/periodic-table/element/1/hydrogen>. Acesso em 19 out. 2017.

SIGMA ALDRICH. Proton Exchange Membrane (PEM) Fuel Cells, [2017?].

Disponível em :< https://www.sigmaaldrich.com/materials-science/renewable-

alternative-energy/pem-fuel-cells.html>. Acesso 10 nov. 2017.

SOUTOCHI, Hiroko; HAGIWARA, Akifusa. Phosphoric acid fuel cells. In: OHTA,

Tokio. Energy carriers and conversion systems with emphasis on hydrogen.

Oxford: EOLSS, v.2,2009.

TERMOQUÍMICA. Termoquímica: Transformações Físicas. Disponível em:

<https://rfreire.files.wordpress.com/2012/11/fq_aula-7-termoquc3admica_1.pdf.>

Acesso 15 nov.2017.

THE LINDE GROUP. Hidrogénio, [2017?]. Disponível em: <http://www.linde-

gas.pt/internet.lg.lg.prt/en/images/Hidrogenio%20AP_052017303_41559.pdf?v=8.0>

Acesso em 22 out.2017.

Page 53: UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE …monografias.ufrn.br/jspui/bitstream/123456789/5298/1/Celulaacombustivel...encontrar a eficiência teórica máxima juntamente com a eficiência

53

THOMAS, George. Overview of Storage Development DOE Hydrogen Program.

Sandia National Laboratories Livermore, 2000.