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Funcionamento e aplicações de Células Combustíveis.

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  • 1. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Fuel Cells – Pilhas CombustíveisCélulas Combustíveis 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 1
  • 2. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Energia Energia: designa tudo o que pode ser transformado em calor, trabalho mecânico (movimento) ou luz graças a uma máquina (por exemplo motor, caldeira, refrigerador, altifalante, lâmpada, etc.,) ou a um organismo vivo (por exemplo os músculos). A palavra “energia” tem as suas raízes na palavra grega “εργοs” (ergos), que significa “Trabalho". 1 cal = 4.184 J, W(trabalho)=(1 J/s), 1 Wh(Watthora) = 1 x 3600 s x J/s = 3600 x (0,239 cal) = 860 calCélulas Combustíveis 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 2
  • 3. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Origem da Energia em Portugal (Março 2012) A origem da energia eléctrica: Hídrica 37,4% Carvão Gás Natural 17,7% 18,1% Outras Renováveis Eólica 4% Outras n/Renovaveis Nuclear 10,5% 3,4%Células Combustíveis 8,9% Mais de 50% da energia eléctrica consumida em Portugal tem origem em tecnologias renováveis. Fonte: http://www.edp.pt/pt/empresas/precolivre/energiacorporate/Pages/EnergianaEDPComercial.aspx 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 3
  • 4. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Energias Renováveis em Portugal (2010) 56% Hídrica Eólica Biomassa Geotérmica FotovoltáicaCélulas Combustíveis 31,1% 0,7% 0,7% 11,6% Fonte: DGEG 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 4
  • 5. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Consumo de Energia em Portugal (2010) 36,7% 29,6% Indústria Transportes Serviços Doméstico Outros 11,4%Células Combustíveis 5,8% 16,6% Fonte: DGEG 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 5
  • 6. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Energia e o Ambiente: Fontes Renováveis “Limpas” Energia Energia Hídrica Eólica Energia das Energia Solar Correntes Marítimas Fotovoltaica e MarésCélulas Combustíveis 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 6
  • 7. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Energia e o Ambiente: Fontes “Não Limpas” Energia Energia Energia Nuclear Termoeléctrica Geotérmica Energia de BiomassaCélulas Combustíveis 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 7
  • 8. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Energia e o Ambiente: Protocolo de Quioto Emissões de Poluentes (CO2, CO, HC, NOx e Partículas) -Normas Europeias cada vez mais exigentes. Tecnologia tem de responder a esse desafio. Protocolo de Quioto: Data de entrada em vigor: 16.02.2005 - Acordo global: 2008 – 2012 redução de 5% de GEE (face a 2003). - Portugal: Comprometeu-se em limitar o aumento das suas emissões deCélulas Combustíveis GEE em 30%, até 2012, em relação às emissões de 1990. [Os Gases com Efeito de Estufa (GEE)] 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 8
  • 9. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Energia e o Ambiente: Protocolo de QuiotoCélulas Combustíveis - 1990…2003: aumento + 27%; desde 1999 que ultrapassou esse valor. - Reduzir CO2…é reduzir o consumo?.... - Soluções tecnológicas precisam-se!... 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 9
  • 10. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Energia e o Ambiente: Compromissos internacionais “Para uma Estratégia Europeia Segurança do Aprovisionamento Energético” (2000). 20% de substituição por combustíveis alternativos no sector dos transportes rodoviários até 2020. Directiva 2003/30/EUCélulas Combustíveis (Relativa á substituição de combustíveis fósseis por combustíveis alternativos no sector dos transportes :-Através de um Decretos-lei, de Fevereiro de 2005) 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 10
  • 11. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Energia e o Ambiente: Protocolo de Quioto Previsões de produção de electricidade em regime especial em 2012 Metas mínimas em MW Hídricos 5000 Eólicos 5100 Mini-Hídricos 500 Biomassa 225 Fotovoltaico 150 Resíduos Sólidos Urbano 100 Ondas/inovação 80Células Combustíveis Biogás 75 Geotermia 35 Total 11265 Cogeração a biomassa 360 Total Geral 11625 Fonte: Política energética e energias renováveis, MEI (2005) 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 11
  • 12. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Energia e o Ambiente: Poluição  Forte crescimento do parque automóvel mundial. 700 7000 Parque automóvel (milhões de veículos) População (milhões de habitantes) 600 6000 500 5000 400 4000 300 3000Células Combustíveis 200 2000 100 1000 0 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Ano Parque automóvel População 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 12
  • 13. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Energia e o Ambiente: Poluição  Forte incidência dos transportes nas emissões de poluentes. 100% 80% NOx 45% CO 78% VOC 37% 60% 40%Células Combustíveis SO2 26% 20% (106 toneladas de poluentes) CO – Monóxido de Carbono NOx – Oxido Nítrico 0% VOC – Componentes Orgânicos Voláteis CO NOx VOC SO2 SO – Óxidos de Enxofre Fonte: EPA (USA) Transportes Outras 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 13
  • 14. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Energia e o Ambiente: Poluição Comparação dos consumos de energia de diversos meios de transporte em zona urbana. 3,00 2,50 Carro (gasolina) 2,00 Carro (diesel) Combóio suburbano Autocarro 1,50 Eléctrico M Joules Metro 1,00 BicicletaCélulas Combustíveis A pé 0,50 0,00 Consumo por Passageiro/Km 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 14
  • 15. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Energia e o Ambiente: Poluição Soluções: Eficiência Biodiesel Hidrogénio Combustíveis ecológicosCélulas Combustíveis Tecnologias de Propulsão 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 15
  • 16. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Energia e o Ambiente: : O Hidrogénio Considerando o aumento da poluição e a diminuição das fontes de energia fósseis, são absolutamente necessários novos conceitos de fontes de energia, para o futuro industrial da sociedade global. Fontes de energia renováveis têm que substituir os combustíveis fósseis, que produzem CO2 na combustão, o que é um gás largamente responsável pelo aumento do “efeito de estufa” que causa o aumento global da temperatura.Células Combustíveis O Hidrogénio é um dos meios ideais de armazenamento de energia para os transportes, e sistemas de conversão de energia num conceito de “energia limpa”. O Hidrogénio pode ser produzido a partir da água, usando a electricidade, idealmente produzida por fontes renováveis como a eólica, solar, e hídrica. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 16
  • 17. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… O Hidrogénio: Especificações Físicas  Na conversão do Hidrogénio em energia, o subproduto é somente vapor de água, o que nos leva a um circuito fechado de produção de energia sem emissões perigosas…  O Hidrogénio é um gás incolor, inodoro, e completamente não venenoso.  Tem a gravidade especifica de 0.0899 g/l, comparado com o ar, este é 14.4 vezes mais pesado que o hidrogénio.  O Hidrogénio condensa a -252.77°C. O hidrogénio líquido tem uma gravidade específica de 70.99 g/l.Células Combustíveis  É por essa razão que o hidrogénio tem a mais alta densidade energética em relação á massa do que todos os outros combustíveis energéticos: 1 kg de hidrogénio contem tanta energia como 2.1 kg de gás natural 2.8 kg gasolina.  A aplicação do Hidrogénio em motores de combustão interna pode ser aplicável como aplicação intermédia… 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 17
  • 18. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… O Hidrogénio: Especificações Físicas No entanto:  É difícil de armazenar, transportar, liquidificar e manipular com segurança.  É capaz de gerar muita energia quando se liberta na atmosfera.  É muito abundante no universo, mas na Terra não se encontra em estado puro.  Apesar do hidrogénio ser uma fonte de energia limpa, a energia gasta para produzi-lo pode não o ser, e porque não existe (ainda) nenhuma máquina ou sistema de energia com rendimento de 101%, as opções têm que serCélulas Combustíveis bem ponderadas, e continuar a investir na investigação, no sentido de aumentar tanto quanto possível, a eficiência dos sistemas energéticos tendo em consideração a sua disponibilidade, preço e grau de afectação do meio ambiente. Naturalmente são de considerar soluções intermédias.  Converter a economia Mundial (de petróleo), numa economia baseada em H2 requer 150 milhões de Ton/ano de H2. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 18
  • 19. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… O Hidrogénio: Economia baseada no Hidrogénio Geração Electricidade Água Transportes Água habitacional Comercial IndústriaCélulas Combustíveis Fontes Conservador Sectores Energia Energia Consumidores Primária Energia 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 19
  • 20. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… O Hidrogénio: Estudos e testes a nível Europeu (projecto CUTE) CUTE - Clean Urban Transport for Europe (2006)”Células Combustíveis 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 20
  • 21. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… : Fuel-Cells”  A pilha de combustível é um dispositivo electroquímico que converte, sem qualquer combustão, energia de um determinado combustível em energia eléctrica.  O resultado desta conversão directa apresenta um rendimento elevado e é não poluente; a pilha de combustível produz unicamente electricidade, calor e água.  O combustível utilizado é hidrogénio que pode ser fornecido na sua forma pura ou a partir de uma mistura produzida por um processo de reformulação a partir de um hidrocarboneto.Células Combustíveis  A decisão quanto à utilização de hidrogénio puro ou de um sistema reformador no interior do automóvel implica custos de investimento, problemas de rendimento e de desempenho e não existe consenso sobre a via que virá a ser predominante.  Contrariamente à solução das células de combustível, a combustão interna de hidrogénio pode resultar na emissão de alguns poluentes, nomeadamente óxidos de azoto (NOx). 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 21
  • 22. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… : Fuel-Cells” Convertem a energia química contida no combustível directamente em energia eléctrica. Princípio de funcionamento semelhante ao de uma bateria. O combustível reage com o oxigénio do ar numa reacção electroquímica. De forma a obter potências mais elevadas associam-se várias células em série → pilha de combustível.Células Combustíveis Como não existem processos intermédios de conversão em energia mecânica as pilhas de combustível têm perdas baixas. As pilhas de combustível de baixa temperatura só funcionam com hidrogénio molecular puro (AFC, PAFC e PEMFC) . É necessário um reformador para converter o combustível em hidrogénio. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 22
  • 23. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… : Fuel-Cells” O princípio operacional das células de combustível “Fuel-Cells” foi descoberto inicialmente em 1839 por William Grove. No entanto, somente nas últimas décadas (1950) a pesquisa e a indústria começaram a concentrar-se mais detalhadamente nesse eficiente princípio de conversão de energia química directamente em energia eléctrica. Electrólise Fuel-Cell Sir Wiliam Robert GroveCélulas Combustíveis O processo de conversão da “Fuel-Cell” é praticamente o inverso da “Electrólise”. Na “Electrólise”, aplicando energia eléctrica á água através de 2 eléctrodos, a água decompõe-se nos seus gases componentes: Oxigénio e Hidrogénio.  As “Fuel-Cells” juntam exactamente estes dois elementos e convertem-nos de novo em água. Em teoria, a mesma quantidade de energia que foi consumida pela electrólise é libertada pela “Fuel-Cell”. Na prática as pequenas perdas são devidas ás condições dos processos físico-químicos. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 23
  • 24. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… : Fuel-Cells” Podemos então afirmar que temos um gás que pode armazenar energia eléctrica, e esse gás é o Hidrogénio. Com as “Fuel-cells”, temos de volta a energia eléctrica armazenada no hidrogénio. Como as células operam com ar, não há necessidade de armazenar o oxigénio... No início da década de noventa , cientistas e engenheiros desenvolveram novos conceitos e tecnologias que aumentaram continuamente a eficiência e simultaneamente a diminuição de custos. Hoje, as Pilhas de Combustível (fuel cells), podem ser usadas em muitas e diferentes aplicações: propulsão de automóveis, aquecimento residencial,Células Combustíveis pequenas aplicações como alimentar um telemóvel ou um PC, ou aplicações da ordem de Megawatts para alimentar submarinos e estações espaciais… É claro que ainda estamos numa fase inicial do uso do Hidrogénio e haverá soluções intermédias, Híbridas, etc., mas não nos resta outra alternativa! O Hidrogénio será a solução!... 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 24
  • 25. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… : Fuel-Cells”  Uma célula de combustível é uma célula electroquímica que converte continuamente a energia química de um combustível e de um oxidante em energia eléctrica, através dum processo que envolve essencialmente um sistema eléctrodo/electrólito.  O combustível é sempre o hidrogénio e o oxidante o oxigénio, podendo estes ter grau de pureza variável. Assim o hidrogénio pode ser obtidoCélulas Combustíveis através de um reformador ou de outro processo, da água, da gasolina, do álcool, do carvão mineral, do gás natural, do metanol, de compostos sólidos de hidrogénio, etc., e o oxigénio por electrolise a partir da água ou do próprio ar…  Uma célula de combustível pode converter mais de 90% da energia contida num combustível em energia eléctrica e calor, desde que haja sistemas de recuperação de calor... 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 25
  • 26. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… : Fuel-Cells” Todas as células de combustível são constituídas por dois eléctrodos, um positivo e outro negativo, designados por, cátodo e ânodo, respectivamente. Igualmente, todas as células têm um electrólito, que tem a função de transportar os iões produzidos no ânodo, ou no cátodo, para o eléctrodo contrário, e um catalisador, que acelera as reacções electroquímicas nos eléctrodos A modo de exemplo, utilizando o hidrogénio como combustível e o oxigénio como oxidante, as reacções no ânodo e cátodo na célula de combustível são as seguintes, respectivamente: Ânodo: H2(g) -> 2 H+(aq) + 2 e- Cátodo: 1/2 O2(g) + 2 H+(aq) + 2 e- -> H2O(vapor)Células Combustíveis O hidrogénio (combustível) é alimentado ao ânodo da célula, onde é oxidado no catalisador de platina (camada difusiva/catalítica), havendo a produção de dois electrões e dois protões hidrogénio, H+ (reacção ânodo). De seguida, os electrões produzidos pela reacção de oxidação do hidrogénio são transportados através de um circuito eléctrico e utilizados para produzirem trabalho (corrente eléctrica). Por sua vez, os protões produzidos na reacção anódica são transportados do ânodo para o cátodo, através do electrólito (no centro da célula). No cátodo, o oxigénio é alimentado e reage com os protões transportados através do electrólito e com os electrões provenientes do circuito eléctrico (reacção cátodo). O produto final da reacção que ocorre no cátodo é o vapor de água… 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 26
  • 27. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… : Fuel-Cells” Constituição: Fuel Cell Stack Single Fuel Cell Electrólito Placa Catalítica do (PEM) Hidrogénio Placa de Entrada de Hidrogénio [Ânodo (+)] Placa catalítica do Oxigénio Placa de Entrada de Oxigénio [Cátodo (- )]Células Combustíveis PEM - Protons Exchange Membrane Porque cada célula gera somente uma baixa tensão (0,7V – 1,2V) são “empilhadas” várias células em série de acordo com as voltagens, e dimensões conforme as potências necessárias. A este arranjo de células chama-se Pilha Combustível ou “Fuel-Cell stack”. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 27
  • 28. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… : Fuel-Cells” Constituição e Ânodo Cátodo funcionamento: Electrólito Hidrogénio O Oxigénio O H H OOO H H H O O H O H H OOOCélulas Combustíveis Catalisador “H” Catalisador “O” Membrana PEM 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 28
  • 29. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… : Fuel-Cells” Constituição e funcionamento: Uma Célula (MEA)Células Combustíveis (MEA - Membrane Electrode Assembly) Combination of anode/membrane/cathode is referred to as the Membrane/Electrode Assembly. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 29
  • 30. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… : Fuel-Cells” Constituição e funcionamento … ResumindoCélulas Combustíveis http://www.nfcrc.uci.edu/2/FUEL_CELL_INFORMATION/FCexplained/FC_animation.aspx 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 30
  • 31. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos comuns de Pilhas de Combustível Tipo de Electrólito Combustíve l Oxidante Ião Temp. Eficiência Potência Célula Cond. AFC KOH (Hidróxido de Potássio) H2 puro Ar(s/CO2)+H2O OH- 60-90º 55-60% < 7Kw PEM/ PEM H2 puro Ar(s/CO) H+ 70-90º 35-45% 5-250Kw Membrana de polímero PEFC PAFC Ácido fosfórico H2 Ar(s/CO) H+ 200º 35-45% 200Kw MCFC Li,Na, carbonatos fundidos CH4, H2,CO Ar+CO2 CO32- 600-650º 45-55% 2-3Mw SOFC Óxidos de Ytria e Zircónio CH4, H2,CO Ar O2- 800-1000º 45-55 T100-5000Kw P10-100Kw Alkalin (acid) Fuel Cells (AFC) –Precisam de Oxigénio puro. Usadas pela NASA em viagens espaciais.Células Combustíveis Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) -Adequada para utilização em veículos por se tratar de uma tecnologia muito compacta e funcionamentos a baixas temperaturas. As empresas do ramo automóvel estão a investir muito no desenvolvimento desta tecnologia. Phosphoric Acid Fuel (PAFC) -Existem algumas centrais a operar no Japão, USA e Suíça. Pode ser usado biogás com CO2, após remoção dos halogéneos e H2S. Molten-Carbonate Fuel Cells (MCFC) -Apropriada para biogás rico em CO2. Solid Oxide Electrolyte Fuel Cells (SOFC) -Alta tolerância a agentes contaminantes no combustível. Permite usar o combustível directamente sem ser necessário processos de catálise caros. Por ser um sistema muito simples é adequado para centrais de pequena escala. Existe uma central experimental a biogás numa quinta na Suíça. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 31
  • 32. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Pilhas de Combustível: … “Fuel Cell” Um sistemas de pilhas de combustível é mais do que a própria pilha… CARGA Purga de Hidrogénio Depósito de Hidrogénio Fuel Cell stack Regulador de Pressão Saída de Ar (escape) Compressor de Ar Ar Humidificador Depósito Bomba deCélulas Combustíveis de Água Água Permutador de calor Bateria de Arranque Ventoinha de Arrefecimento  Para ajustamentos de tensão para as diversas necessidades, usam-se sistemas comutados DC/DC Boost e DC/AC Inverters. PEMFC - Simplificado!… 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 32
  • 33. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Alkaline Fuel Cell” Foi a primeira célula combustível a seguir ás experiências de Groove. Nas células de combustível alcalinas, o electrólito utilizado é uma solução concentrada de KOH (hidróxido de potássio) a 85 % para temperaturas elevadas (~ 250 ºC) e menos concentrada (35 – 50 %) para temperaturas inferiores (< 120 ºC). As pilhas AFC utilizadas no programa Apollo da NASA utilizavam uma solução de KOH com 85 % e funcionavam à temperatura de 250 ºC. Reacções AFC: Ânodo: H2(g) + 2 OH-(aq) -> 2 H2O(l) + 2 e Cátodo: 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e- -> 2 OH-(aq) O problema das velocidades de reacção baixas (baixas temperaturas) é superadoCélulas Combustíveis com a utilização de eléctrodos porosos, com platina impregnada, e com a utilização de pressões elevadas. Neste tipo de células de combustível, a redução do oxigénio no cátodo é mais rápida em electrólitos alcalinos, comparativamente com os ácidos e, devido a isso, existe a possibilidade da utilização de metais não nobres neste tipo de células. As principais desvantagens desta tecnologia são o facto dos electrólitos alcalinos (p. ex. NaOH e KOH) dissolverem o CO2 do ar (só podem ser alimentadas com oxigénio puro) na circulação pelo electrólito da célula, tornando o funcionamento desta mais complexo. No entanto o electrólito apresenta custos reduzidos. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 33
  • 34. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Alkaline Fuel Cell”  O hidrogénio e o oxigénio puro são alimentados por entradas isoladas , ânodo e cátodo respectivamente (porosos, com platina impregnada) e ficam em contacto com o catalizador respectivo. Quando em contacto com o catalisador as moléculas de hidrogénio 2H, subdividem-se em 2 protões H+ e ao mesmo tempo cada átomo liberta um electrão. Os electrões vão do ânodo para o cátodo através do circuito externo fornecendo corrente eléctrica á carga. Os electrões no cátodo recombinam-se com as moléculas de hidrogénio da água gerando iões de oxigénio.Células Combustíveis Os iões de Oxigénio gerados reagem com a água dando iões hidróxidos OH. Os iões hidróxidos, atravessam o electrólito (solução de potássio ou sódio), para o ânodo. No ânodo, os iões hidróxidos reagem com o protões dando novamente água que é parcialmente reencaminhada para o cátodo para futura reacção. ➟As AFC’s têm sido usadas nas viagens espaciais tripuladas, as quais não teriam sido possíveis sem células combustíveis, que produzem electricidade água e calor. As AFC’s foram, e ainda são, usadas nos programas Apollo e Apollo-Soyuz, assim como no Skylab e “space shuttles”. Atingem eficiências até 60%. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 34
  • 35. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Alkaline Fuel Cell” …Aplicações O facto das AFC’s não poderem ser alimentadas directamente com o oxigénio do ar ( só puro) é uma grande desvantagem…Pelo que são utilizadas no espaço, devido á sua alta eficiência e de produzirem calor… e água!.Células Combustíveis AFC usada no ”Space Shuttle” Fuel cell do programa Apollo. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 35
  • 36. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “PEM Fuel Cell” A célula de combustível com membrana de permuta de protões (PEM) (Proton Exchange Membrane), apresenta a vantagem da sua simplicidade de funcionamento. O electrólito nesta célula de combustível é uma membrana de polímero muito maleável e fina (polímero ácido sulfónico fluorizado ou outro polímero similar) que é boa condutora de protões do ânodo para o cátodo. Por sua vez, o combustível utilizado é o hidrogénio com elevado grau de pureza e o oxigénio do ar como oxidante. O único líquido na célula é a água e, devido a esse facto, os problemas de corrosão são mínimos. A presença da água líquida na célula é de extrema importância porque a membrana de permuta protónica deve ser mantida hidratada durante oCélulas Combustíveis funcionamento da célula de combustível. Devido às limitações apresentadas em relação à temperatura, impostas pelo polímero da membrana e pela necessária hidratação da membrana, esta célula de combustível funciona para temperaturas, usualmente, inferiores a 100º C. Sendo assim, as velocidade de reacção reduzidas são compensadas pela utilização de catalisadores e eléctrodos sofisticados. O catalisador utilizado é a platina mas desenvolvimentos recentes permitiram a utilização de pequenas quantidades desta, reduzindo os custos. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 36
  • 37. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “PEM Fuel Cell”  O hidrogénio e o oxigénio do ar, são alimentados por entradas isoladas , eléctrodos ânodo e cátodo respectivamente (de platina). e ficam em contacto com o catalizador respectivo. Quando em contacto com o catalizador as moléculas de hidrogénio 2H, subdividem-se em 2 protões H+ e ao mesmo tempo cada átmo liberta um electrão. Os protões vão do ânodo para o cátodo através do electrólito (membrana PEM). Os electrões vão do ânodo para o cátodo através do circuito externo fornecendo corrente eléctrica á carga. OsCélulas Combustíveis electrões no cátodo recombinam-se com as moléculas de hidrogénio da água gerando iões de oxigénio. Os iões de Oxigenados gerados têm carga negativa e movem-se para os protões carregados positivamente.  Os iões de Oxigénio cedem os seus electrões a 2 protões oxidando-os dando calor e água. ➟As PEMFC são fáceis de manejar, muito leves e eficientes (em reacção aos motores de combustão que não vão além dos 25%) e para gás reagente requerem somente o oxigénio atmosférico em vez do oxigénio puro. Apresenta rendimentos na ordem de 35% a 45%. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 37
  • 38. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “PEM Fuel Cell” …Aplicações São definitivamente a solução para os sistemas de propulsão de veículos automóveis, e são alvo de grande investigação por parte de praticamente de todos o fabricantes de automóveis, por serem as mais simples, isentas de poluição, e funcionarem a baixas temperaturas, mas com o inconveniente de entre as “fuel cells”, o seu rendimento ser baixo (35% a 45%) e os eléctrodos serem muito caros (platina).Células Combustíveis Bicicleta com PEMFC (frente) Fuel cell car (Ford) depósito de hidrogénio (atrás) General Motors Sequel 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 38
  • 39. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “PEM Fuel Cell” …AplicaçõesCélulas Combustíveis Combustíveis Células http://videos.howstuffworks.com/ballard/651-ballard-shows-how-a-fuel-cell-works-video.htm 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 39
  • 40. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Molten Carbonate Fuel Cell” A célula de combustível de carbonato fundido utiliza como electrólito uma combinação de carbonatos alcalinos (Na, K, Li), que são estabilizados num suporte de LiAlO2. Quando alimentada com gás natural atinge rendimentos na ordem de 60%. Ânodo: H2(g) + CO32- -> H2O(g) + CO2(g) + 2 e- Cátodo: 1/2 O2(g) + CO2(g) + 2 e- -> CO32- Este tipo de células de combustível funciona na gama de temperaturas entre 580 eCélulas Combustíveis 660 ºC, para as quais os carbonatos alcalinos formam um sal altamente condutor de iões (ião carbonato). Para temperaturas elevadas pode-se utilizar o níquel como catalisador no ânodo e óxido de níquel no cátodo, não sendo necessária a utilização de metais nobres. Devido às temperaturas elevadas de operação, neste tipo de sistema pode utilizar-se directamente gás natural ou biogás entre outros, não havendo a necessidade da utilização de “reformadores” externos. No entanto, esta simplicidade é contraposta pela natureza do electrólito, uma mistura quente e corrosiva de lítio, potássio e carbonatos de sódio (Li2CO3 / K2CO3/Na2CO3). . 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 40
  • 41. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Molten Carbonate Fuel Cell” Há 2 sistemas separados de alimentação de gás. Na área do cátodo o Oxigénio e o Dióxido de Carbono. No ânodo é a entrada de Hidrogénio que contacta com o catalizador. No catalisador as moléculas de hidrogénio 2H, subdividem-se em 2 protões H+ e ao mesmo tempo cada átomo liberta um electrão. Os electrões vão do ânodo para o cátodo através do circuito externo fornecendo corrente eléctrica á carga. Os electrões no cátodo recombinam-se com as moléculas de hidrogénio gerando iões oxigenados. Os iões Oxigenados gerados têm carga negativa e reagem com o dióxido de carbono dandoCélulas Combustíveis iões de Carbonato. Os iões de Carbonato gerados têm carga negativa e movem-se através do electrólito (carbonato derretido) em direcção aos protões positivos no lado do ânodo. Os iões de Carbonato mudam a sua carga negativa com 2 protões oxidando-se produzindo água. Devido á divisão de iões oxigenados do carbonato, é gerado novamente dióxido de carbono. ➟A vantagem deste tipo de célula é que não é necessária a purificação do hidrogénio e de não ser sensível á contaminação de Monóxido de Carbono. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 41
  • 42. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Molten Carbonate Fuel Cell” …Aplicações As MCFC’s estão sendo desenvolvidas para aplicações industriais estáticas. São especialmente indicadas para Cogeração e recuperação de calor em aplicações comerciais e industriais onde são necessárias altas temperaturas, visto que funcionam a temperaturas á volta de 650°C. Estão sendo desenvolvidas células de potências na ordem dos 300 Kws e até níveis superiores para aplicações industriais e propulsão de navios.Células Combustíveis 280 kW MC fuel cell 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 42
  • 43. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Phosphoric Acid Fuel Cell”  As células de combustível ácido fosfóricas foram as primeiras a ser produzidas comercialmente e apresentam uma ampla aplicação a nível mundial. Muitas unidades de 200 kW, produzidas pela empresa “International Fuel Cells Corporation” estão instaladas nos Estados Unidos e na Europa.  Neste tipo de células de combustível, o electrólito utilizado é o ácido fosfórico a ~100%, funcionando a temperaturas entre 160 ºC e 220 ºC. Para temperaturas baixas, o ácido fosfórico é um mau condutor iónico e a contaminação da platina pelo CO no ânodo torna-se mais severa. Ânodo: H2(g) -> 2 H+(aq) + 2 e- Cátodo: 1/2 O2(g) + 2 H+(aq) + 2 e- -> H2O(l)  A estabilidade relativa do ácido fosfórico é elevada em comparação com outros ácidos comuns e, consequentemente, a célula de combustível PAFC pode produzir energia eléctrica a temperaturas elevadas (220 ºC). Para além disso, a utilização de um ácido concentrado (~100 %) minimiza a pressão de vapor da água, facilitando a gestão da água na célula. O suporte utilizadoCélulas Combustíveis universalmente para o ácido é o carboneto de silicone e o electrocatalisador utilizado no ânodo e cátodo é a platina.  O problema do armazenamento do hidrogénio pode ser resolvido pela transformação do metano em hidrogénio e dióxido de carbono, mas o equipamento necessário para esta operação acrescenta à célula custos consideráveis, maior complexidade, e dimensões superiores.  No entanto, estes sistemas apresentam as vantagens associadas à simplicidade de funcionamento da tecnologia das células de combustível, disponibilizando um sistema de produção de energia eléctrica seguro e que envolve baixos custos de manutenção. Alguns destes sistemas funcionaram continuamente durante diversos anos sem qualquer necessidade de manutenção ou intervenção humana. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 43
  • 44. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Phosphoric Acid Fuel Cell” Nos 2 sistemas separados de alimentação de gás o Oxigénio e o hidrogénio contactam com os catalizadores respectivos. No catalisador as moléculas de hidrogénio 2H, subdividem-se em 2 protões H+ e ao mesmo tempo cada átomo liberta um electrão. Os protões vão do ânodo para o cátodo através do electrólito (ácido fosfórico concentrado). Os electrões vão do ânodo para o cátodo através do circuito externo fornecendo corrente eléctrica á carga. Os electrões no cátodo recombinam-se com as moléculas de hidrogénio gerando iõesCélulas Combustíveis oxigenados. Os iões de Oxigenados gerados têm carga negativa e movem-se para os protões carregados positivamente.  Os iões de Oxigenados cedem os seus electrões a 2 protões oxidando-os dando calor e água. ➟As PAFC são usadas exclusivamente em Cogeração de energia e calor. Têm rendimentos na ordem de 40 a 45%. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 44
  • 45. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Phosphoric Acid Fuel Cell” …Aplicações ➟As PAFC’s são usadas exclusivamente em Cogeração de energia e calor. Têm rendimentos na ordem de 40 a 45% aumentando bastante em Cogeração…Células Combustíveis Fuel cell power plant for an apartment house (supply of electricity and heat) 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 45
  • 46. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” As células de combustível de óxido sólido funcionam na gama de temperaturas entre os 800 e os 1000 ºC, possibilitando assim velocidades de reacção elevadas sem a utilização de catalisadores nobres. Situado entre duas placas (ar/fuel) de cerâmica porosa, o electrólito utilizado neste tipo de célula é um metal óxido, sólido e não poroso, usualmente Y2O3- estabilizado em ZrO2. Na gama de temperaturas elevadas de funcionamento, os iões de oxigénio são transportados do ânodo para o cátodo. Ânodo: H2(g) + O2- -> H2O(l) + 2 e- Cátodo: 1/2 O2(g) + 2 e- -> O2- O metano (gás natural se for dessulfurado também) pode ser utilizado directamente, nãoCélulas Combustíveis sendo necessária a utilização de uma unidade de reformação externa. No entanto, os materiais cerâmicos que constituem estas células acarretam dificuldades adicionais na sua utilização, envolvendo custos de fabrico elevados e sendo necessários muitos equipamentos extra para que a célula produza energia eléctrica. Este sistema extra engloba o de pré aquecimento do combustível e do ar, e o sistema de arrefecimento. Apesar de funcionar a temperaturas superiores a 1000ºC, o electrólito da SOFC mantém-se permanentemente no estado sólido. Tipicamente o ânodo é Co-ZrO2 ou Ni- ZrO2 e o cátodo é Sr-LaMnO3. Apresentam rendimentos na ordem de 60 a 70% e até 90% com cogeração. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 46
  • 47. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” Nos 2 sistemas separados de alimentação de gás o Oxigénio e o hidrogénio contactam com os catalisadores respectivos. No catalisador as moléculas de hidrogénio 2H, subdividem-se em 2 protões H+ e ao mesmo tempo cada átomo liberta um electrão. Os electrões vão do ânodo para o cátodo através do circuito externo fornecendo corrente eléctrica á carga. Os electrões no cátodo recombinam-se com as moléculas de hidrogénio gerando iões oxigenados. Os iões Oxigenados gerados têm carga negativa e movem-se através do electrólito (YtriumCélulas Combustíveis com dióxido de Zircon) para a área do ânodo.  No ânodo, os iões Oxigenados cedem os seus electrões a 2 protões oxidando-os dando calor e água. ➟O seu alto rendimento e relativa facilidade de combustível, faz actualmente as SOFC’s alvo de grandes investigações designadamente para aplicações estáticas de usos comerciais, industriais, e residenciais. Sob o ponto de vista ambiental, estas pilhas também têm muito interesse pois a quantidade de CO2 libertado para a atmosfera é menor por MW de electricidade que noutros processos de produção de energia eléctrica. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 47
  • 48. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” Tipos de design de SOFC’s: A alta temperatura de operação das SOFC’s apresenta sérios células: “Tubular”, Actualmente existem três designs principais deste tipo de inconvenientes. A expansão térmica “Siemens / Westinghouse”, sistema a selagem entre células desenvolvido pela provoca desajustes entre materiais, eintegrado com permutação de calor, O design “Hexis” desenvolvidocomplicada. Esteoproblema, implica plano. A com a configuração de placas planas é pela “Sulzer” e design ordinário várias restrições na selecção de materiais, o que complica o processo de fabricação no vantagem das células não planas é que apresentam melhores técnicas de selagem que respeita ás interligações (placas bipolares). Estas devem ser electricamente entre camadas e melhor intercambio de anódica e catódica eas células planas o condutoras, selar as câmaras de gás calor, pelo que para resistir ás altas problema da degradação dos materiais adifíceistemperaturas eAs mais comunsde temperaturas. As selagens adequadas são altas de desenvolver. o intercambio calor de materiais tipo vidro. Devido ásoaltas desenvolvimento. funcionamento o são constituem um inconveniente para seu temperaturas de arranque e a paragem neste sistema consomem bastante tempo. Devido aos seus materiais cerâmicos (frágeis) não são adequadas para aplicações móveis. Combinadas com turbinas de calor, as SOFC’s alcançam eficiências bastante elevadas.Células Combustíveis Sulzer-Hexis Heat Intergrated System SOFC SOFC tubular Siemens-Westinghouse. Stack plano SOFC 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 48
  • 49. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” Tubular Design www.pg.siemens.com Cathode Contact Fuel electrode (Anode) Electrolyte (Solid Oxide) http://www.seca.doe.gov Air electrode (Cathode)Células Combustíveis Como resultado da grande investigação, de que são alvo, os diversos fabricantes apresentam por vezes tecnologias diferentes, no sentido de aumentarem tanto quanto possível a eficiência. A Tecnologia tubular está sendo desenvolvida por um consórcio liderado pela “Siemens” e a “Westinghouse”. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 49
  • 50. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” Tubular Design H2 H2O O2- O2 Air electrode O2 (Cathode)Células Combustíveis Electrolyte (Solid Oxide) Fuel electrode (Anode) 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 50
  • 51. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” Tubular DesignCélulas Combustíveis 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 51
  • 52. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” “Tubular” Design: solid oxide fuel cell system (Siemens/Westinghouse) Esquema simplificado: Entrada de Ar Processador de Ar (650ºC) Saída de Recuperador/ Ar(850ºC) Combustão Gás natural dessulfurado Níquel Recirculação de Combustível InterligaçãoCélulas Combustíveis Ânodo Electrólito Ejector de Combustível Cátodo Pre-reformador de Combustível Suporte Fuel Cell DC/AC a 1000ºC Converter 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 52
  • 53. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” Experiência Kendall’s com micro-tubular cell.Células Combustíveis De recordar que inicialmente a célula tem que ser pré aquecida!.... 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 53
  • 54. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” “HELIS” Design: solid oxide fuel cell system (Sulzer) Combustível (H2, CO) Interligação metálica Ânodo Electrólito CátodoCélulas Combustíveis Interligação metálica Ar Sulzer-Hexis Heat Intergrated System SOFC 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 54
  • 55. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” Helis Design: Residential solid oxide fuel cell system (Sulzer) Ar Cátodo Electrólito O2 O2 O2 O2 O2 Ânodo Combustível (H2O+CO2) (H2CO) A. Isolamento térmico. B. “Fuel Cells”.Células Combustíveis C. Permutador de calor. D. Acumulador de calor. E. Sistema de Controlo. F. Aquecimento auxiliar “off”. G. Inversor. H. Dissulfatador de gás. I. Escape (saída). Célula Alimentada a gás natural para uma habitação. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 55
  • 56. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” “HELIS” Design: solid oxide fuel cell system (Sulzer) Esquema simplificado:Células Combustíveis 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 56
  • 57. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” Planar Design: Residential solid oxide fuel cell system Isolamento térmico Fuel Cell stacks Queimador de ignição Desulfurizador Permutador de calorCélulas Combustíveis Ventilador Filtro do ar Gerador Bomba de água de vapor 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 57
  • 58. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” Micro-Tubular Design Ânodo poroso (Ni) Electrólito (YSZ)  As micro-SOFCs estão a ser desenvolvidas para substituição das pilhas convencionais e deverão entrar no mercado de fontes de alimentação de equipamentos electrónicos de pequenas dimensões, como telemóveis, laptops e dispositivos electrónicos portáteis. A previsão é que tenham uma densidade de energia Cátodo poroso (LSCO) específica 3 a 4 vezes maior do que as pilhas/baterias tradicionaisCélulas Combustíveis de hidreto níquel-metal e iões de lítio. Com respeito aos aspectos de segurança, é óbvio que um dispositivo que funciona a 550°C e usa hidrocarbonetos como combustível deve obedecer a requisitos de certificação bastante rígidos para encontrar ampla aceitação por parte do público. Por isso, o produto final deve estar protegido de maneira a que a temperatura exterior nunca ultrapasse 35°C e, devido á pequena massa do módulo quente, não se espera nenhum aquecimento residual depois de cortado o combustível. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 58
  • 59. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” Tubular Design: SOFC Gas turbine System (ZTEK’s) 1 1. O gás natural entra no “fuel processor” e depois na “fuel cell stacks”. 2. O ar é comprimido pela turbina e aquecido pelo recuperador no caminho para “fuel cell stacks”. 3. Com o combustível e o ar na “fuel cell stack”, ocorre uma reacção electroquímica que produz corrente DC e calor. 3 4. Os gases de escape (Exhaust) saiem da “fuel cell stack” e passam através da turbina a gás. 7 4 6 5. Electricidade é produzida por um gerador movido pela turbina a gás.Células Combustíveis 6. Os produtos quentes de escape (hot exhaust) passam através do recuperador. 7. Gases de escape (Clean exhaust) saiem da turbina. 5 2 (High-High-Voltage 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 59
  • 60. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” Tubular Design: Integrated SOFC and Absorption Chiller/Heater (ZTEK’s) 7 EXHAUST Cool Air tp building Thermal Efficiency Target: 90% 5. Esta alta temperatura pode ser (Extra High-Voltage Alternating Current) transferida para aquecimento 6 através do “Heat exchanger” ou Absorption Chiller 5 Cold Water refrigeração através dum “Inverter”. Hot Water 6. A temperatura é introduzida nos sistemas de circulação de ar 1 condicionado dos edifícios. 7. Gases de escape (Clean exhaust)Células Combustíveis saiem para o exterior. 4 EXHAUST Warm Air 1. O gás natural entra no “fuel processor” onde é convertido em H2 e CO e depois alimenta a “fuel cell stacks”. 2 2. O ar é alimentado á célula por um ventilador. 3.Com o combustível e o ar na “fuel cell stack”, ocorre uma reacção 3 electroquímica que produz corrente DC e calor. 4. Os gases de escape (hot Exhaust) saiem da “fuel cell stack” e passam par o “Chiller” onde faz ferver uma solução através da turbina a gás. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 60
  • 61. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” HPD Cell (actual) Interligação High Power Density (HPD) Cathode Supported Seal-less Planar concept Electrólito HPD Cell (próxima geração) Canais de Combustível A Grande Vantagem é que a superfície de contacto é muito grande resultando Interligações Cell-to-Cell Eléctrodo de Ar um resistência óhmica ínfima, produzindo assim um tensão mais elevada por célula.Células Combustíveis Canais de ar Eléctrodo de Ar Eléctrodo do Combustível HPD (High Power Density) 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 61
  • 62. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Solid Oxide Fuel Cell” …Aplicações As SOFC’s fixas são usadas em Cogeração de energia e calor em instalações residenciais, comerciais ou industriais chegando o seu rendimento a atingir 90%.Células Combustíveis 1 kW (Helis) residential solid oxide 100 kW SOFC (planar) power station fuel cell system (Sulzer) (Siemens-Westinghouse) 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 62
  • 63. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Direct Methanol Fuel Cell” Há 2 sistemas separados de alimentação de gás. O Oxigénio no cátodo e no ânodo Metanol e água. Ambas as substâncias vão reagir com os respectivos catalisadores. O Metanol reage com a água dando Dióxido de Carbono (CO2) e Hidrogénio. No catalisador as moléculas de hidrogénio 2H, subdividem-se em 2 protões H+ e ao mesmo tempo cada átomo liberta um electrão. Os protões vão do ânodo para o cátodo através do electrólito (Membrana).Células Combustíveis Os electrões vão do ânodo para o cátodo através do circuito externo fornecendo corrente eléctrica á carga. ➎No cátodo os electrões recombinam-se com as moléculas de Oxigénio gerando iões oxigenados. ❻No cátodo os iões Oxigenados gerados têm carga negativa e reagem com os protões dando água . 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 63
  • 64. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Tipos de Pilhas de Combustível: … “Direct Methanol Fuel Cell” …Aplicações portáteis!Células Combustíveis 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 64
  • 65. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações Militares Industriais ComerciaisCélulas Combustíveis Habitacionais Transportes 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 65
  • 66. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações orcelleGreenFlagship http://www.transitionrig.com/links.htmCélulas Combustíveis 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 66
  • 67. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… AplicaçõesCélulas Combustíveis Aquatanker http://www.solarsailor.com/ 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 67
  • 68. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações Boeing’s Low-Emission Electric Plane A Boeing tem efectuado testes em aeronaves, numa versão modificada do HK36 Supe Dimona, uma vez que se pensa que as “fuel cells”, podem no futuro ser usadas em aviões comerciais em que as células combustíveis, baterias e motores eléctricos poderão substituir o motor de pistões standard do Super Dimona. Motor control “Fuel Cells Stack” Fuel Cells control Baterias Motor EléctricoCélulas Combustíveis Depósito de Hidrogénio Na versão modificada do Super Dimona, o lugar do copiloto é ocupado pelas “Fuel Cells”. Fonte: Boeing, Diamond Aircraft Industry 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 68
  • 69. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… AplicaçõesCélulas Combustíveis http://www.nasa.gov/ HELIOS (da NASA em conjunto com a empresa AeroVironment, especializada em UAVs - Unmanned Aerial Vehicles). O avião sem piloto será movido durante o dia por 66.000 células de energia solar e à noite por um sistema de células combustíveis. O novo sistema de armazenamento de energia, permitirá ao avião permanecer no ar por meses, recorde inimaginável em autonomia de voo. A longa permanência no ar poderá abrir uma série de aplicações, principalmente nas telecomunicações… 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 69
  • 70. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações Sistemas Híbridos intermédios!.... Veículos AutomóveisCélulas Combustíveis 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 70
  • 71. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações Veículos AutomóveisCélulas Combustíveis 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 71
  • 72. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações …Aplicações Ford…Células Combustíveis Ballard Fuel Cells Ford ZEV ZEV- Zero Emissions vehicle 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 72
  • 73. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações …Aplicações Ford…Células Combustíveis 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 73
  • 74. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações …Aplicações General Motors GM Chevrolet Sequel Hydrogen conceptCélulas Combustíveis 92 Kwe PEMFC 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 74
  • 75. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações  Travões Hy-Wire, controlados por computador (não hidráulicos).  “Fuel Cells stack”. (fornece electricidade a partir do hidrogénio)  Sistema de escape (radiador) de vapor e irradiação de calor.  Sistema de abastecimento de combustível (hidrogénio).  Depósitos de hidrogénio. (á prova de fuga em caso de choque).  Suportes de montagem do habitáculo (ligação chassis- cockpit).Células Combustíveis  “Universal docking port” e ligação do “cockpit” á plataforma do sistema computorizado Hy-wire.  “Hy-wire System Control”. (sistema computorizado) Motor eléctrico de tracção.  Sistema de controlo de direcção e tracção. (Hy-wire steering) 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 75
  • 76. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações …Aplicações Daimler Chrysler … Sociedade de Transportes Colectivos do Porto Tanques de Hidrogénio (STCP) Controlo de Gases (42 Kg a 350 Bar “Dynetek”) Pilhas de Combustível (2 Ballard MK902 de 150Kw cada) Arrefecimento Ar CondicionadoCélulas Combustíveis Transmissão Automática “ZF” Motor Eléctrico Central Componentes auxiliares (Ruland 200KW) (Actuados mecanicamente) 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 76
  • 77. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações Sociedade de Transportes Colectivos do Porto (STCP)Células Combustíveis O Porto foi a cidade portuguesa escolhida para participar no projecto CUTE. Os três autocarros em circulação foram fornecidos pela Daimler Chrysler enquanto que a BP se responsabiliza pelo abastecimento do hidrogénio. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 77
  • 78. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações Sociedade de Transportes Colectivos do Porto A multinacional Linde responsabiliza-se pela (STCP) produção, liquefacção, purificação, armazenamento, distribuição e fornecimento de hidrogénio às estações de Abastecimento. A instalação BP-CUTE serve de posto de abastecimento aos 3 veículos que circulam na cidade e que têm as células de combustível como fonte de energia. O CGH2 requerido ao transporte é fornecido por camião e armazenado a baixa pressão em depósitos com capacidade de 174 kg.Células Combustíveis 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 78
  • 79. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações Sociedade de Transportes Colectivos do Porto (STCP) Apesar de situada em Alenquer, a multinacional Linde responsabiliza-se pela produção, liquefacção, purificação, armazenamento, distribuição e fornecimento de hidrogénio às estações de Abastecimento da BP. AlenquerCélulas Combustíveis 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 79
  • 80. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações Militares Sistema de “Propulsão Independente do Ar” AIP http://www.areamilitar.net U214/U209-PN Bateria ConvencionalCélulas Combustíveis O Sistema de Propulsão Independente do Ar, ao invés do convencional, permite ao submarino aumentar a sua autonomia em submersão, de 48 a 72 horas (o tempo que decorre num submarino convencional até que as baterias tenham que ser recarregadas) para um período que pode ir de 15 a 21 dias. Isto ocorre, porque se produz energia eléctrica, por meios químicos, sem que seja necessário ao submarino vir à superfície. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 80
  • 81. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações MilitaresCélulas Combustíveis Sistema de “Propulsão Independente do Ar” AIP: Reabastecimento 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 81
  • 82. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações Militares Sistema de “Propulsão Independente do Ar” AIP SFC-200(SOFC) Siemens/westinghouse, de 200Kw, fuel cells de última geração, U214/U209-PN? possivelmente irão incorporar o sistema AIP da nova classe de submarinos daCélulas Combustíveis http://www.areamilitar.net Marinha Portuguesa.  Do ponto de vista táctico, um submarino com AIP, é quase invisível, e torna- se quase impossível saber onde se encontra, ou para onde se deslocou submerso. Desde o último dia em que houver uma informação sobre a sua localização, podem passar dias ou semanas, até que se saiba onde se encontra. 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 82
  • 83. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações Militares AIRCRAFT Fuel Cells Armoured Vehicles Fuel Cells Helicopter Fuel Cells OBUSIER 2000 Airbus A320 Eurocopter Tigre Other Applications NSM Drones, missiles and support equipmentCélulas Combustíveis Load Modular Fuel Farm GM Hybrid Military Pickup 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 83
  • 84. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações MilitaresCélulas Combustíveis Bio-fuel-Powered Heated Vest Using fuel cell concepts 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 84
  • 85. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações MilitaresCélulas Combustíveis Aplicações em todas as áreas… 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 85
  • 86. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Células de Combustível, Pilhas de Combustível… Aplicações MilitaresCélulas Combustíveis …As Células Combustíveis também produzem Água!... 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 86
  • 87. NO FUTURO…Para onde Vamos?...
  • 88. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… para isto!...Células Combustíveis 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 88
  • 89. Ou para isto!...
  • 90. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Mais isto?!…Células Combustíveis 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 90
  • 91. Electrónica : E-Mobilidade: Células Combustíveis – “Fuel Cells”… Bibliografias… http://www.ztekcorp.com www.army-technology.com http://www.areamilitar.net http://academic.evergreen.edu http://www.pca.state.mn.us/oea/p2/fuelcells-types.cfm http://www.svec.uh.edu/SOFC.html http://www.aaenvironment.com/SolidOxideFuelCell http://www.fuelcellknowhow.com/ http://www.tagen.tohoku.ac.jp/labo/mizusaki/QSOFC/demo.html http://www.generalhydrogen.com/tech_howfuel.shtml http://www.marinha.pt/extra/revista/ra_mar2007/pag_10.html http://pt.wikipedia.org/wiki/EnergiaCélulas Combustíveis http://americanhistory.si.edu/fuelcells/basics.htm http://climatelab.org/fuel_cells http://www.msnbc.msn.com/id/41201174/ns/technology_and_science-tech_and_gadgets/t/space-age- technology-helps-drive-future-automobiles/ http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2003/18mar_fuelcell/ 18-06-2012 Por : Luís Timóteo 91