O que são células de combustível

A eletrônica móvel a cada ano, se não um mês, está se tornando mais acessível e difundida. Aqui você tem laptops, PDAs, câmeras digitais e telefones celulares, além de vários tipos de dispositivos úteis e não tão úteis. E todos esses dispositivos estão constantemente adquirindo novos recursos, processadores mais poderosos, telas coloridas grandes, comunicações sem fio e, ao mesmo tempo, diminuindo de tamanho. Mas, diferentemente das tecnologias de semicondutores, as tecnologias de energia de todo esse zoológico móvel não passam aos trancos e barrancos.

As baterias recarregáveis ​​convencionais e as baterias claramente não são suficientes para alimentar os últimos avanços na indústria eletrônica por um período substancial de tempo. E sem baterias confiáveis ​​e espaçosas, todo o significado de mobilidade e sem fio é perdido. Portanto, a indústria de computadores está trabalhando cada vez mais ativamente no problema fontes de alimentação alternativas. E a direção mais promissora de hoje é células de combustível.

O princípio básico da operação de células de combustível foi descoberto pelo cientista britânico Sir William Grove em 1839. Ele é conhecido como o pai da célula de combustível. William Grove gerou eletricidade mudando eletrólise da água para extrair hidrogênio e oxigênio. Depois de desconectar a bateria da célula eletrolítica, Grove ficou surpreso ao descobrir que os eletrodos começaram a absorver o gás liberado e a gerar corrente. Abertura do processo combustão eletroquímica a frio de hidrogênio um evento no setor de energia tornou-se significativo e, no futuro, eletroquímicos conhecidos como Ostwald e Nernst desempenharam um grande papel no desenvolvimento dos fundamentos teóricos e na implementação prática de células de combustível e previram um grande futuro para eles.

Ele mesmo o termo "célula de combustível" (célula de combustível) apareceu mais tarde - foi proposto em 1889 por Ludwig Mond e Charles Langer, que tentaram criar um dispositivo para gerar eletricidade a partir do ar e gás de carvão.

Durante a combustão normal, o oxigênio oxida os combustíveis fósseis e a energia química do combustível é ineficazmente convertida em energia térmica. Porém, foi possível realizar a reação de oxidação, por exemplo, hidrogênio com oxigênio, em um meio eletrolítico e na presença de eletrodos para obter uma corrente elétrica. Por exemplo, fornecendo hidrogênio a um eletrodo localizado em um meio alcalino, obtemos elétrons:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

que, passando pelo circuito externo, vão para o eletrodo oposto, para o qual o oxigênio entra e onde a reação ocorre: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Pode-se observar que a reação resultante 2H2 + O2 → H2O é a mesma que durante a combustão normal, mas na célula combustível, ou de outra forma - em gerador eletroquímico, gera corrente elétrica com alta eficiência e parcialmente calor. Note que carvão, monóxido de carbono, álcoois, hidrazina e outras substâncias orgânicas também podem ser usadas como combustível nas células de combustível e ar, peróxido de hidrogênio, cloro, bromo, ácido nítrico etc. podem ser usados ​​como agentes oxidantes.

O desenvolvimento de células de combustível continuou vigorosamente no exterior e na Rússia, e ainda mais na URSS. Entre os cientistas que deram uma grande contribuição ao estudo das células de combustível, mencionamos V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. Em meados do século passado, um novo ataque aos problemas das células de combustível começou. Isso se deve em parte ao surgimento de novas idéias, materiais e tecnologias como resultado da pesquisa em defesa.

Um dos cientistas que deu um grande passo no desenvolvimento de células de combustível foi P. M. Spiridonov. Elementos hidrogênio-oxigênio de Spiridonov deu uma densidade de corrente de 30 mA / cm2, que durante esse tempo foi considerada uma grande conquista.Nos anos quarenta, O. Davtyan criou uma instalação para a combustão eletroquímica de gás gerador obtida por gaseificação de carvão. A cada metro cúbico de volume de elemento, Davtyan recebia 5 kW de potência.

Isso foi primeira célula a combustível de eletrólito sólido. Apresentava alta eficiência, mas com o tempo o eletrólito se tornou inutilizável e precisou ser trocado. Posteriormente, no final dos anos cinquenta, Davtyan criou uma instalação poderosa que impulsionou o trator. Naqueles mesmos anos, o engenheiro inglês T. Bacon projetou e construiu uma bateria de célula de combustível com uma capacidade total de 6 kW e uma eficiência de 80%, operando com hidrogênio e oxigênio puros, mas a relação potência / peso da bateria era muito pequena - esses elementos eram inadequados para uso prático e também queridos.

Nos anos seguintes, o tempo dos solitários já passou. Os criadores da nave espacial se interessaram por células de combustível. Desde meados dos anos 60, milhões de dólares foram investidos em pesquisas com células de combustível. O trabalho de milhares de cientistas e engenheiros permitiu alcançar um novo nível, e em 1965. as células de combustível foram testadas nos Estados Unidos na nave espacial Gemini 5 e, posteriormente, nos navios Apollo para voos para a Lua e no programa Shuttle.

Na URSS, as células de combustível foram desenvolvidas no NPO Kvant, também para uso no espaço. Naqueles anos, novos materiais já apareceram - eletrólitos poliméricos sólidos à base de membranas de troca iônica, novos tipos de catalisadores, eletrodos. E, no entanto, a densidade da corrente de trabalho era pequena - na faixa de 100-200 mA / cm2, e o conteúdo de platina nos eletrodos era de vários g / cm2. Havia muitos problemas associados à durabilidade, estabilidade e segurança.

A próxima etapa do rápido desenvolvimento das células de combustível começou nos anos 90. século passado e continua agora. Isso é causado pela necessidade de novas fontes de energia eficientes relacionadas ao, por um lado, o problema ambiental global do aumento das emissões de gases de efeito estufa da combustão de combustíveis fósseis e, por outro lado, ao esgotamento de tais combustíveis. Como a água é o produto final da combustão de hidrogênio em uma célula a combustível, elas são consideradas as mais limpas do ponto de vista do impacto ambiental. O principal problema é apenas encontrar uma maneira eficaz e barata de produzir hidrogênio.

Bilhões de investimentos financeiros no desenvolvimento de células a combustível e geradores de hidrogênio devem levar a uma inovação tecnológica e tornar realidade o seu uso na vida cotidiana: nas células dos telefones celulares, nos carros, nas usinas de energia. Gigantes de automóveis como Ballard, Honda, Daimler Chrysler e General Motors já estão demonstrando carros e ônibus rodando em células de combustível de 50kW. Várias empresas desenvolveram instalações para demonstração de células de combustível de eletrólito de combustível sólido de até 500 kW. Mas, apesar de um avanço significativo na melhoria do desempenho das células de combustível, muitos problemas ainda precisam ser resolvidos relacionados ao custo, confiabilidade e segurança.

Em uma célula de combustível, diferentemente das baterias e acumuladores, o combustível e o oxidante são fornecidos a partir do exterior. A célula de combustível é apenas um mediador na reação e, em condições ideais, poderia funcionar quase para sempre. A beleza dessa tecnologia é que de fato, o combustível é queimado no elemento e a energia liberada é diretamente convertida em eletricidade. Com a combustão direta de combustível, ele é oxidado pelo oxigênio, e o calor gerado nesse processo é usado para concluir o trabalho útil.

Em uma célula combustível, como nas baterias, as reações de oxidação do combustível e redução de oxigênio são separadas espacialmente, e o processo de "queima" prossegue apenas se a célula emitir corrente para a carga. É como gerador a diesel, somente sem diesel e gerador. E também sem fumaça, barulho, superaquecimento e com muito mais eficiência. Este último é explicado pelo fato de que, em primeiro lugar, não existem dispositivos mecânicos intermediários e, em segundo lugar, a célula a combustível não é um motor térmico e, portanto, não obedece à lei de Carnot (ou seja, sua eficiência não é determinada pela diferença de temperatura).

O oxigênio é usado como um agente oxidante nas células de combustível. Além disso, como o oxigênio é suficiente no ar, não há necessidade de se preocupar com o fornecimento de um agente oxidante. Quanto ao combustível, é hidrogênio. Então, a reação ocorre na célula combustível:

2H2 + O2 → 2H2O + eletricidade + calor.

O resultado é energia útil e vapor de água. O mais simples em seu design é célula de combustível de membrana de troca de prótons (veja a figura 1). Funciona da seguinte forma: o hidrogênio que entra no elemento se decompõe sob a ação do catalisador em elétrons e íons de hidrogênio com carga positiva H +. Então uma membrana especial entra em ação, atuando aqui como um eletrólito em uma bateria convencional. Devido à sua composição química, ele passa prótons por si mesmo, mas retém elétrons. Assim, os elétrons acumulados no ânodo criam uma carga negativa em excesso e os íons hidrogênio criam uma carga positiva no cátodo (a tensão no elemento é de cerca de 1V).

Para criar alta potência, uma célula de combustível é montada a partir de uma pluralidade de células. Se você incluir um elemento na carga, os elétrons fluem através dele para o cátodo, criando uma corrente e completando o processo de oxidação do hidrogênio pelo oxigênio. Como catalisador nessas células de combustível, são tipicamente usadas micropartículas de platina depositadas em uma fibra de carbono. Devido à sua estrutura, esse catalisador passa bem o gás e a eletricidade. A membrana é tipicamente feita de um polímero de Nafion contendo enxofre. A espessura da membrana é igual a décimos de milímetro. Durante a reação, é claro, o calor também é liberado, mas não é tanto, de modo que a temperatura operacional é mantida na faixa de 40 a 80 ° C.

Fig. 1. O princípio de operação da célula de combustível

Existem outros tipos de células de combustível, diferindo principalmente no tipo de eletrólito usado. Quase todos eles requerem hidrogênio como combustível, então surge uma questão lógica: onde obtê-lo. Obviamente, seria possível usar hidrogênio comprimido de cilindros, mas então imediatamente surgem problemas associados ao transporte e armazenamento desse gás altamente inflamável sob alta pressão. Obviamente, você pode usar hidrogênio na forma encadernada, como nas baterias de hidreto metálico. Mas, ainda assim, a tarefa continua sendo sua extração e transporte, porque a infraestrutura dos postos de hidrogênio não existe.

No entanto, existe também uma solução - o combustível líquido de hidrocarboneto pode ser usado como fonte de hidrogênio. Por exemplo, álcool etílico ou metílico. É verdade que um dispositivo adicional especial já é necessário aqui - um conversor de combustível, que converte álcoois em uma mistura de H2 e CO2 gasoso a alta temperatura (para o metanol será algo em torno de 240 ° C). Mas, neste caso, já é mais difícil pensar em portabilidade - esses dispositivos são bem usados ​​como estacionários ou alternadores de carroMas, para equipamentos móveis compactos, você precisa de algo menos complicado.

E aqui chegamos a esse dispositivo, cujo desenvolvimento quase todos os maiores fabricantes de eletrônicos estão envolvidos com força terrível - célula de combustível de metanol (figura 2)

Fig. 2. O princípio de operação da célula a combustível em metanol

A diferença fundamental entre os elementos de enchimento de hidrogênio e metanol é o catalisador usado. O catalisador na célula de combustível de metanol permite que os prótons sejam removidos diretamente da molécula de álcool.Assim, a questão do combustível está sendo resolvida - o álcool metílico é produzido em massa para a indústria química, é fácil de armazenar e transportar e, para carregar uma célula a combustível de metanol, basta substituir o cartucho por combustível. É verdade que há um ponto negativo significativo - o metanol é tóxico. Além disso, a eficiência de uma célula a combustível de metanol é significativamente menor que a de uma célula a hidrogênio.

Fig. 3. Célula a combustível de metanol

A opção mais tentadora é usar o álcool etílico como combustível, uma vez que a produção e distribuição de bebidas alcoólicas de qualquer composição e força está bem estabelecida em todo o mundo. No entanto, infelizmente, a eficiência das células a combustível de etanol é ainda menor que a do metanol.

Como já foi observado ao longo de muitos anos de desenvolvimento no campo das células de combustível, vários tipos de células de combustível foram construídos. As células de combustível são classificadas por eletrólito e tipo de combustível.

1. Eletrólito de hidrogênio-oxigênio de polímero sólido.

2. Células a combustível de metanol de polímero sólido.

3. Elementos em eletrólito alcalino.

4. Células a combustível de ácido fosfórico.

5. Células a combustível em carbonatos fundidos.

6. Células a combustível de óxido sólido.

Idealmente, a eficiência das células a combustível é muito alta, mas em condições reais existem perdas associadas a processos sem equilíbrio, como perdas ôhmicas devido à condutividade do eletrólito e eletrodos, polarização de ativação e concentração, perdas de difusão. Como resultado disso, parte da energia gerada nas células de combustível é convertida em calor. Os esforços dos especialistas visam reduzir essas perdas.

A principal fonte de perdas ôhmicas, bem como a razão do alto preço das células de combustível, são as membranas permutadoras de íons de sulfocalização perfluoradas. Agora, estamos à procura de polímeros alternativos e mais baratos, condutores de prótons. Como a condutividade dessas membranas (eletrólitos sólidos) atinge um valor aceitável (10 Ohm / cm) apenas na presença de água, os gases fornecidos à célula a combustível devem ser adicionalmente umedecidos em um dispositivo especial, o que também torna o sistema mais caro. Nos eletrodos de difusão catalítica de gás, principalmente platina e alguns outros metais nobres são usados, e até agora nenhuma substituição foi encontrada. Embora o conteúdo de platina nas células de combustível seja de vários mg / cm2, para baterias grandes sua quantidade chega a dezenas de gramas.

Ao projetar células de combustível, é dada muita atenção ao sistema de remoção de calor, pois em altas densidades de corrente (até 1A / cm2), o sistema se aquece automaticamente. Para o resfriamento, é utilizada a água que circula na célula de combustível através de canais especiais e, em baixas capacidades, é utilizado o sopro de ar.

Assim, o sistema moderno do gerador eletroquímico, além da própria bateria de célula de combustível, “cresce” com muitos dispositivos auxiliares, como: bombas, compressor para suprimento de ar, entrada de hidrogênio, umidificador de gás, unidade de resfriamento, sistema de controle de vazamento de gás, conversor DC para AC, processador de controle etc. Tudo isso leva ao fato de que o custo do sistema de células de combustível em 2004-2005 foi de 2 a 3 mil dólares / kW. Segundo especialistas, as células de combustível estarão disponíveis para uso no transporte e em usinas estacionárias a um preço de 50 a 100 $ / kW.

Para a introdução de células de combustível na vida cotidiana, juntamente com os componentes mais baratos, você precisa esperar novas idéias e abordagens originais. Em particular, grandes esperanças estão associadas ao uso de nanomateriais e nanotecnologia. Por exemplo, recentemente várias empresas anunciaram a criação de catalisadores supereficientes, em particular, para um eletrodo de oxigênio baseado em aglomerados de nanopartículas de vários metais. Além disso, tem havido relatos do projeto de células de combustível sem membrana nas quais combustível líquido (por exemplo, metanol) é fornecido à célula de combustível junto com um agente oxidante.Um conceito interessante é o conceito desenvolvido de elementos de biocombustível operando em águas poluídas e consumindo oxigênio dissolvido como agente oxidante e impurezas orgânicas como combustível.

Segundo especialistas, as células de combustível entrarão no mercado de massa nos próximos anos. De fato, os desenvolvedores conquistam problemas técnicos um após o outro, relatam sucessos e apresentam protótipos de células a combustível. Por exemplo, a Toshiba demonstrou um protótipo de célula a combustível de metanol. Tem um tamanho de 22x56x4,5mm e fornece uma potência da ordem de 100mW. Um reabastecimento em 2 cubos de metanol concentrado (99,5%) é suficiente para 20 horas de trabalho do MP3 player. A Toshiba lançou uma célula de combustível comercial para alimentar telefones celulares. Mais uma vez, a mesma Toshiba demonstrou um elemento para alimentar laptops de 275x75x40mm, permitindo que o computador trabalhe por 5 horas com um único reabastecimento.

Outra empresa japonesa, Fujitsu, não fica muito atrás da Toshiba. Em 2004, ela também introduziu um elemento que atua sobre uma solução aquosa de metanol a 30%. Essa célula de combustível trabalhava em um reabastecimento em 300 ml por 10 horas e, ao mesmo tempo, fornecia potência de 15 watts.

A Casio está desenvolvendo uma célula de combustível na qual o metanol é primeiro processado em uma mistura de H2 e CO2 gasoso em um conversor de combustível em miniatura e depois alimentado na célula de combustível. Durante a demonstração, o protótipo Casio forneceu energia ao laptop por 20 horas.

A Samsung também foi notada no campo das células de combustível - em 2004, demonstrou seu protótipo de 12 W projetado para alimentar um laptop. Em geral, a Samsung espera usar células de combustível, principalmente em smartphones de quarta geração.

Devo dizer que as empresas japonesas geralmente abordam minuciosamente o desenvolvimento de células de combustível. Em 2003, empresas como Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony e Toshiba uniram forças para desenvolver um padrão comum de células de combustível para laptops, telefones celulares, PDAs e outros dispositivos eletrônicos. As empresas americanas, que também são numerosas nesse mercado, trabalham principalmente sob contratos com os militares e desenvolvem células de combustível para eletrificar soldados americanos.

Os alemães não estão muito atrás - a Smart Fuel Cell vende células de combustível para alimentar um escritório móvel. O dispositivo é chamado Smart Fuel Cell C25, tem dimensões de 150x112x65mm e pode produzir até 140 watts-hora em um único posto de gasolina. Isso é suficiente para alimentar o laptop por cerca de 7 horas. Em seguida, o cartucho pode ser substituído e você pode continuar trabalhando. O tamanho do cartucho com metanol é de 99x63x27 mm e pesa 150g. O sistema em si pesa 1,1 kg, portanto você não pode chamá-lo de portátil, mas ainda é um dispositivo completo e conveniente. A empresa também está desenvolvendo um módulo de combustível para alimentar câmeras de vídeo profissionais.

Em geral, as células de combustível quase entraram no mercado de eletrônicos móveis. Os fabricantes são deixados para resolver os problemas técnicos mais recentes antes de iniciar a produção em massa.

Em primeiro lugar, é necessário resolver a questão da miniaturização de células a combustível. Afinal, quanto menor a célula a combustível, menos energia ela será capaz de produzir - então novos catalisadores e eletrodos estão sendo desenvolvidos constantemente que permitem, em tamanhos pequenos, maximizar a superfície de trabalho. Aqui, bem a tempo, os mais recentes desenvolvimentos no campo da nanotecnologia e nanomateriais (por exemplo, nanotubos) são úteis. Novamente, para miniaturizar a cintagem dos elementos (bombas de combustível e água, sistemas de refrigeração e conversões de combustível), avanços microeletromecânicos estão sendo cada vez mais aplicados.

O segundo problema importante que precisa ser tratado é o preço. De fato, como catalisador na maioria das células de combustível, platina muito cara é usada.Novamente, alguns fabricantes estão tentando aproveitar ao máximo a já bem desenvolvida tecnologia de silício.

Quanto a outras áreas do uso de células a combustível, as células a combustível já estão bem estabelecidas lá, embora ainda não tenham se tornado comuns no setor de energia ou nos transportes. Muitos fabricantes de automóveis já apresentaram seus carros-conceito movidos a células de combustível. Em várias cidades do mundo, ônibus de célula a combustível estão circulando. A Canadian Ballard Power Systems produz uma variedade de geradores estacionários que variam de 1 a 250 kW. Ao mesmo tempo, os geradores de kilowatt são projetados para fornecer imediatamente a um apartamento eletricidade, calor e água quente.

Veja também: Fontes de energia alternativas