XXV Encontro Nac. de Eng. de Produção – Porto Alegre, RS, Brasil, 29 out a 01 de nov de 2005
Avaliação da Utilização de Pilhas a Combustível no Segmento de
Eletroeletrônicos Portáteis: uma Proposta de Análise de
Oportunidades e Barreiras para Inovações com Base no Conhecimento
Científico
Gilberto Luiz Vimercati Neto (UFRJ) [email protected]
Vivian Helena Monteiro de Mattos (IBMEC) [email protected]
Resumo
Dentre todas as sete fontes de inovação identificadas por Drucker (1998) uma se destaca por
oferecer as maiores oportunidades de negócio: a inovação baseada no conhecimento
científico. Mas, apesar de todo o seu potencial econômico e industrial, este tipo de inovação
necessita de um tempo de maturação muito superior aos demais, o que implica em riscos
substancialmente mais altos e exige um tratamento especial quanto à análise de suas
aplicações e de seus riscos. Desta forma, este artigo tem como proposta discutir a avaliação
das oportunidades e barreiras existentes para o desenvolvimento de inovações com base no
conhecimento científico a partir do estudo de caso das aplicações para a tecnologia de
pilhas a combustível no segmento de eletroeletrônicos portáteis.
Palavras chave: Inovação, Conhecimento Científico, Pilhas a Combustível.
1. Introdução
Peter Drucker (1998) enumera sete fontes de inovação:
−
−
−
−
−
−
−
O inesperado;
A incongruência;
A necessidade do processo;
Mudanças na estrutura do setor ou do mercado;
Mudanças demográficas;
Mudanças em percepção, diagnóstico ou significado;
Novo conhecimento.
Dentre todos estes tipos, a inovação baseada no novo conhecimento é aquela que oferece as
maiores possibilidades de remuneração do capital investido e de alteração da estrutura de
mercados, com o aparecimento de novas empresas usuárias da tecnologia emergente. E
embora Drucker (1998) amplie a definição para todo novo conhecimento científico, técnico
ou social, são as inovações baseadas no primeiro tipo que se sobressaem.
Entretanto, apesar de todo o seu potencial, estas inovações possuem duas características que
aumentam o risco dos seus projetos de pesquisa e desenvolvimento: o longo percurso até o
mercado e a necessidade de convergência de vários campos do conhecimento.
O longo tempo de maturação de uma inovação com base no conhecimento científico é função
do tempo necessário para o surgimento do conhecimento e do tempo que este conhecimento
levará para se tornar um produto, processo ou serviço. Estima-se que uma tecnologia incluída
nesta classificação leve de 25 a 30 anos para se tornar aceita no mercado (DRUCKER, 1998).
Além disso, em geral, há a necessidade de convergência de conhecimentos de outras áreas, o
que torna o seu sucesso dependente do esforço de mais de uma disciplina, o que, por sua vez,
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aumenta o risco.
As pilhas a combustível constituem um exemplo deste tipo específico de inovação e como tal
devem ser avaliadas e geridas. O seu nível de desenvolvimento em 2005 indica que apesar de
existirem vários projetos de demonstração envolvendo a tecnologia, a sua transição para um
nível de produção em escala comercial ainda exigirá mais alguns anos de pesquisa em várias
áreas, mas especialmente na de materiais.
A avaliação desta inovação no segmento de eletroeletrônicos portáteis (composto por
telefones celulares, computadores portáteis e baterias móveis com capacidade inferior a 1,5
kW) pode servir de base para o estabelecimento de uma metodologia própria para a avaliação
de oportunidades e barreiras encontradas por este tipo específico de inovação.
2. Princípios e Fundamentos das Pilhas a Combustível
A primeira etapa para a avaliação das oportunidades e barreiras de uma inovação com base no
conhecimento científico consiste em entender os seus princípios e fundamentos de modo que
seja possível reconhecer as suas potenciais aplicações, as vantagens oferecidas e os gargalos
no seu desenvolvimento.
As pilhas a combustível são dispositivos que promovem a reação de hidrogênio (H2) com
oxigênio (O2), convertendo energia química em energia elétrica e gerando como únicos
subprodutos água e calor. Como não há passagem pelo ciclo de calor, sua eficiência é superior
à eficiência dos motores de combustão interna. (BLOMEM, 1993).
O funcionamento de uma pilha a combustível é bastante semelhante ao de uma pilha comum
de lítio ou níquel-cádmio, se diferenciando apenas pelo fato de possuírem uma vida útil
teórica infinita, ou seja, enquanto uma pilha comum consome seus eletrodos durante sua
operação, o que limita a sua vida, a pilha de hidrogênio pode, em tese, produzir energia
enquanto forem fornecidos hidrogênio e oxigênio (PAULA, 2003).
As possibilidades oferecidas por este mecanismo são diversas, intervindo a seu favor o fato de
ser uma alternativa limpa, silenciosa e eficiente de geração de energia. Estas características
são particularmente interessantes para três aplicações: geração estacionária de energia elétrica,
transporte automotivo e montagem de aparelhos eletroeletrônicos portáteis.
Entretanto, como a maioria das novas tecnologias, há um número grande de questões a serem
resolvidas antes de sua entrada definitiva no mercado, entre elas: o produto não ter atingido
um nível técnico maduro, as complexidades da engenharia dos sistemas e as dúvidas quanto a
sua durabilidade e confiabilidade. Estas dificuldades acabam sendo refletidas em um alto
custo de capital, na ausência de uma infra-estrutura de apoio e no grande risco técnico
incorrido por aqueles que adotam a tecnologia em seus estágios iniciais (ENERGY NEXUS
GROUP, 2002).
Há diversos tipos de pilhas a combustível, sendo o nome de cada uma delas atribuído em
função do eletrólito empregado. Desta forma, os tipos de pilha a combustível existentes no
início de 2005 eram:
−
−
−
−
−
−
Alcalina (Alkaline Fuel Cell – AFC);
de Membrana Polimérica (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC);
de Óxido Sólido (Solid Oxide Fuel Cell – SOFC);
de Carbonato Fundido (Molten Carbonate Fuel Cell – MCFC);
de Ácido Fosfórico (Phosphoric Acid Fuel Cell – PAFC);
de Metanol Direto (Direct Methanol Fuel Cell – DMFC).
O funcionamento de uma célula a combustível é baseado na conversão direta da energia
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química do combustível em eletricidade através de reações de oxidação e redução, sem que
ocorra combustão. Essa reação ocorre dentro de uma estrutura composta de dois eletrodos
separados por um eletrólito.
No ânodo, cada átomo de hidrogênio perde um elétron, adquirindo a forma catiônica H+. Os
elétrons que são liberados no ânodo migram por um circuito externo, gerando uma corrente
elétrica, e retornam à pilha pelo cátodo para combinarem com o oxigênio. No cátodo, cada
átomo de oxigênio ganha 2 elétrons, assumindo a forma aniônica O-2. Em geral, o íon H+
migra pelo eletrólito até o cátodo para reagir com o O-2 , mas nas pilhas de óxido sólido e de
carbonato fundido, são os ânions de oxigênio que migram para encontrar a molécula de
hidrogênio. Um esquema básico de uma pilha a combustível é apresentado na Figura 1.
Figura 1. Esquema Básico de uma Pilha a Combustível
Além dos eletrodos, a montagem de uma pilha a combustível inclui uma entrada para
alimentação de hidrogênio junto ao ânodo, catalisadores (em geral, de platina), um eletrólito,
uma entrada para alimentação de oxigênio junto ao cátodo, um coletor de corrente e saída
para os subprodutos e para o excesso de reagentes.
O eletrólito, que pode ser líquido ou sólido, é o meio condutor iônico. Ele é o responsável
pelo transporte de reagentes dissolvidos e cargas iônicas entre os eletrodos. Ele também atua
como selante, vedando a passagem das correntes gasosas de oxidante e combustível e
evitando um contato direto entre os gases.
Embora os fundamentos da geração de energia elétrica a partir da utilização do hidrogênio
sejam conhecidos, ainda existem aspectos que necessitam ser desenvolvidos. A necessidade
de catalisadores mais baratos, a simplificação da montagem da pilha e o aumento da eficiência
do selante e do coletor de corrente são os principais obstáculos que prejudicam o seu
desempenho, especialmente quando comparado ao desempenho de tecnologias maduras.
3. Avaliação do desempenho das pilhas a combustível no segmento de eletroeletrônicos
portáteis
Uma vez que as características, as vantagens e as dificuldades técnicas de uma inovação com
base no conhecimento científico são compreendidas, torna-se necessário entender como elas
influirão no desempenho de produtos desenvolvido a partir da tecnologia para o segmento em
questão.
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3.1 Aspectos relevantes do segmento
As pequenas aplicações portáteis são aquelas cuja demanda de energia não ultrapassa 1,5 kW.
Apesar de os equipamentos eletrônicos oferecerem cada vez mais funções, as baterias de lítio
e níquel-cádmio que os alimentam não evoluíram no mesmo ritmo e podem em breve limitar
o seu desenvolvimento. Isto porque são pesadas, possuem um alto custo por kW gerado e uma
vida útil muito pequena, o que cria um ambiente propício para a introdução de uma nova
tecnologia, como a de pilhas a combustível (DYER, 1999).
De todas as potenciais utilizações das pilhas a combustível, as pequenas aplicações portáteis
são aquelas que aparentam estar mais próximas do mercado. Isto ocorre porque suas
principais concorrentes, as baterias de lítio e de níquel-cádmio, além de possuírem vida útil
limitada e custo alto por kW, ainda oferecem autonomia pequena aos equipamentos e, quando
descartadas, tornam-se dejetos potencialmente tóxicos que exigem atenção especial da
sociedade (BUCHMANN, 2001).
Neste caso, as pilhas poderiam ser úteis em rádios comunicadores e ferramentas portáteis, tais
como furadoras, e, principalmente para telefones celulares, computadores portáteis, e APDs
(Assistentes Portáteis Digitais, também conhecidos pelo termo inglês PDAs – Portable
Digital Assistants). Eletroeletrônicos poderiam ter seus desempenhos melhorados com a
aplicação deste dispositivo.
Além de maior autonomia, eles poderiam se beneficiar de uma disponibilidade maior de
energia e, com isso, oferecer funções que antes não podiam ser suportadas pelas baterias
convencionais, tais como a terceira geração de telefones celulares (3G) e a conectividade sem
fio universal (CROPPER, 2003). Suas características mais valorizadas neste segmento são:
−
−
−
−
−
A alta densidade de potência;
A facilidade de recarga;
A redução do peso;
Os baixos níveis de ruído; e,
A possibilidade de utilizar o calor gerado.
Apesar de os telefones celulares constituírem o maior mercado potencial nesta aplicação, os
desafios relacionados à miniaturização dos componentes, controle da temperatura de operação
e custos tendem a ser maiores. Os computadores portáteis assumem a posição de equipamento
eletrônico mais suscetível à introdução desta tecnologia porque suas dimensões e seu preço
absorvem melhor os impactos da adição de novos componentes.
3.2 Oportunidades e barreiras
Para se determinar o tipo de pilha a ser utilizado em determinado projeto é importante que o
usuário avalie as diversas tecnologias disponíveis segundo alguns critérios tais como:
− Temperatura de operação: a escolha terá impacto no tempo necessário para o início do
funcionamento da pilha e no desejo ou não de se aproveitar o calor produzido;
− Vida útil: pilhas que utilizam eletrólitos sólidos tendem a ter vida útil maior do que as que
utilizam eletrólitos líquidos;
− Restrições de corrente e tensão: dependendo da aplicação para a qual se deseja a pilha, se
fixa ou móvel, as escolhas deverão ser diferentes;
− Estágio de desenvolvimento: os diferentes tipos de pilha se encontram em diferentes
estágios de desenvolvimento.
Especificamente para o caso das pilhas a combustível, o processo de geração de energia
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elétrica a partir do hidrogênio pode ocorrer dentro de um espectro amplo de temperaturas, que
varia entre 70 ºC e 1.000 ºC, e, por isso, propicia a existência dos diferentes tipos de
tecnologia, sem que, no entanto, seu princípio básico de funcionamento seja alterado. A
Tabela 1 apresenta a matriz Aplicação-Potência que ajuda a identificar os tipos de pilha
possíveis de serem utilizados dada a aplicação e a demanda de potência.
Aplicações
Geração
Estacionária
Transporte
Inferior a
1,5 kW
10 kW
100 kW
1.000 kW
_
_
PEMFC
DMFC
PAFC
SOCF
_
AFC
PEMFC
DMFC
PAFC
PEMFC
DMFC
PAFC
SOCF
PEMFC
DMFC
PAFC
SOCF
MCFC
PEMFC
DMFC
PAFC
SOCF
MCFC
AFC
PEMFC
_
DMFC
PAFC
Fonte: Elaborada pelo autor com base em Avadikyan (2003)
Eletroeletrônicos
Portáteis
AFC
PEMFC
DMFC
_
10 MW
100 MW
PAFC
SOCF
MCFC
MCFC
SOFC
PAFC
SOCF
MCFC
MCFC
SOFC
_
_
Tabela 1 – Tipos de Pilha a Combustível por Aplicação
Analisando-a, observa-se que, para o segmento de eletroeletrônicos portáteis, cuja demanda
de potência é inferior a 1,5 kW, podem ser utilizados três tipos de pilhas a combustível: a
alcalina, a de membrana polimérica e a de metanol direto.
Em relação às três opções possíveis, até setembro de 2004, havia uma disputa entre as pilhas
de membrana polimérica (PEMFC) e as de metanol direto (DMFC) pela primazia no
segmento, com ligeira vantagem pelo segundo tipo, que liderava com aproximadamente 55%
do total de sistemas produzidos (JOLLIE, 2004).
A pilha alcalina, apesar de constituir uma opção para este segmento, possui grandes
problemas quanto à estabilização do eletrólito, que neste caso é líquido. Este problema tem
diminuído o interesse por este tipo de pilha, de modo que, até o início de 2005, o seu estágio
de desenvolvimento tecnológico era significativamente mais atrasado que os dos demais.
A preferência pela DMFC pode ser explicada em parte pela facilidade de se usar metanol
diretamente. É possível que este combustível se torne a opção de combustível para os sistemas
portáteis uma vez que ele é a alternativa mais barata e a mais simples existente atualmente. A
PMFC, por sua vez, utiliza hidrogênio puro, o que exige um processamento anterior do
combustível fonte do gás e também implica em dificuldades técnicas para o seu
armazenamento e manipulação.
O obstáculo para a ampla utilização do metanol reside na sua toxidade, que exigirá padrões de
segurança rígidos da produção à utilização. Outras alternativas de combustível, como
hidrogênio líquido ou comprido, são possíveis mas possuem a desvantagem de possuírem um
custo alto de produção, sendo improvável que os usuários estejam dispostos a pagar mais por
elas.
Para se entender como as características de uma inovação baseada no conhecimento científico
pode gerar oportunidades e barreiras, é necessário avaliá-la. Para isto, foi preciso selecionar
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uma metodologia de avaliação de desempenho. Para o caso em estudo, a proposta escolhida
foi a da International Partnership for Hydrogen Economy (IPHE), que se mostrou
interessante por ser desenvolvida especificamente para tecnologias que envolvam a utilização
do hidrogênio. A IPHE é uma parceria internacional que visa a prover um mecanismo para
organizar, avaliar e coordenar programas multinacionais de pesquisa, desenvolvimento e
extensão que acelerem a transição para uma economia baseada no hidrogênio (IPHE, 2004).
Desta forma, sugere o organismo que as cadeias de energia, de diferentes fontes, sejam
avaliadas com atenção a diferentes critérios, tais como, mas não unicamente:
−
−
−
−
−
Eficiência;
Custo (direto e indireto);
Segurança
Impactos ambientais locais;
Impactos econômicos (empregos gerados / empregos perdidos, balança comercial etc.).
A avaliação de cada um desses critérios deve ser feita comparativamente em relação ao
principais concorrentes, ou seja, deve considerar a existência de outras fontes de energia para
a aplicação. Estas fontes deverão ser avaliadas segundo cada um dos critérios anteriormente
mencionados e comparadas com as pilhas a combustível.
Em relação à eficiência com que geram a energia, pilhas a combustível e baterias
convencionais não diferem muito, pois ambas são excelentes para converter energia química
em elétrica. Entretanto, se analisada a quantidade de energia por unidade de massa dos
combustíveis usados, as primeiras têm vantagem. A utilização de hidrogênio líquido puro
pode fornecer 800 vezes a energia eletroquímica contida por unidade de massa de níquelcádmio (DYER, 1999).
Essa superioridade também ocorre quando o combustível é um composto rico em hidrogênio.
Um litro de metanol, por exemplo, teoricamente, poderia gerar cerca de 5.000 Wh, o
suficiente para manter em funcionamento um computador portátil por um mês. Um volume
comparável de lítio, cuja densidade de corrente é a maior entre as baterias recarregáveis, seria
capaz de fornecer apenas um décimo dessa capacidade, ou seja, 500 Wh ou três dias de
autonomia (DYER, 1999).
A conveniência é outro aspecto positivo a favor das pilhas a combustível. Além de poderem
utilizar uma ampla gama de combustíveis, o seu carregamento é rápido, podendo ser feito por
meio de ampolas de metanol ou do combustível utilizado, diferentemente das baterias
convencionais que levam horas para estarem plenamente recarregadas.
O custo de instalação de uma pilha a combustível também é competitivo neste segmento. O
custo de geração 1 kW por meio de uma pilha a combustível em 2001 estava entre US$ 3.000
e US$ 7.500, enquanto que para uma bateria de níquel-cádmio de mesma capacidade, esse
custo é de US$ 7.100 (BUCHMANN, 2001). Isto significa que apenas nos casos extremos o
preço de uma pilha a combustível era superior.
Ainda que o preço do combustível seja favorável às baterias convencionais – US$ 0,15/kWh
contra US$ 0,35/kWh das pilhas a combustível – os custos totais de operação por kW, que
incluem custos de manutenção, gastos com combustíveis e substituição de equipamento,
também são favoráveis à nova tecnologia, variando em uma faixa de US$ 1,85 a US$
4,10/kWh para elas, contra um custo de US$ 7,10/kWh para as tecnologias convencionais
(BUCHMANN, 2001).
A vida útil também é um aspecto vantajoso deste dispositivo. Enquanto as baterias
convencionais possuem vida útil limitada, com seu desempenho sendo comprometido com o
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consumo dos seus componentes, o que implica a sua substituição, as pilhas a combustível
podem gerar energia por mais tempo, necessitando apenas que mais combustível seja
fornecido.
Com relação à vida útil, as pilhas a combustível conseguem operar por 2.000 horas antes de
uma grande revisão ou troca, enquanto as baterias de níquel-cádmio só atingem 1.500 horas.
A Tabela 3.4 apresenta a comparação dos custos para gerar 1 kW de energia entre as pilhas a
combustível e as baterias de níquel-cádmio, considerando o investimento inicial, o consumo
de combustível, manutenção e eventual substituição do equipamento, utilizando valores de
2001.
Investimento
Fonte de Energia
Custo de Operação e
para gerar 1 kW
Vida útil
Combustível
Manutenção total
(US$)
(em horas)
(US$ / kWh)
(US$ / kWh)
7.000
1.500
0,15
7,50
3.500 – 7.500
2.000
0,35
1,85 – 4,10
Bateria de NiCd
Pilha a combustível
Custo do
Fonte: BUCHMANN, 2001
Tabela 2 Custos de Instalação e Operação de Pilhas a Combustível e de Baterias de Níquel-Cádmio
O último benefício gerado pela nova tecnologia refere-se aos impactos ambientais. O descarte
das baterias convencionais envolve cuidados especiais uma vez que estas utilizam metais
pesados que, quando não são descartados adequadamente podem contaminar o ambiente. As
pilhas a combustível, por originarem apenas água, calor e energia elétrica como resultado de
sua operação, não necessitam um tratamento tão rigoroso, podendo inclusive o seu módulo
principal ser reutilizado.
Quanto à segurança, este talvez seja o único critério no qual as baterias convencionais
superam as pilhas a combustível. A dificuldade das pilhas reside em determinar uma forma
segura e eficiente de armazenamento do combustível. A utilização de hidrogênio puro sob a
forma de gás comprimido é perigosa devido à facilidade com que o gás queima. A liquefação
do gás também acarreta transtornos visto que seriam necessários equipamentos criogênicos
para isto. A opção do metanol diminui os riscos, mas que de qualquer forma ainda seriam
superiores aos oferecidos pelas baterias convencionais.
Em virtude de o desempenho das pilhas a combustível para esta aplicação ser superior ao da
tecnologia concorrente em quase todos os critérios de comparação, incluindo custo, é possível
que este seja o segmento escolhido para a entrada comercial da tecnologia. Entretanto, antes
que isto ocorra, será necessário superar alguns obstáculos, tais como:
− A miniaturização dos componentes sem que isto comprometa o desempenho ou os custos;
− A eliminação de elementos prejudiciais às células do combustível utilizado, como CO e
CO2;
− A determinação de uma forma segura para o usuário final lidar com o combustível.
4. Proposta de metodologia para análise de inovações originadas a partir do
conhecimento científico
A análise das oportunidades e barreiras existentes para a aplicação de pilhas a combustível no
segmento de eletroeletrônicos portáteis permite que seja proposta uma metodologia de análise
para as inovações originadas a partir do conhecimento científico.
A primeira etapa consistiu em entender os princípios e os fundamentos da tecnologia. Por
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terem origem em conhecimentos laboratoriais, a base teórica deste tipo de inovação pode
fornecer dados importantes para sua análise. Esta etapa é fundamental para que se possa
entender as características, vantagens e dificuldade técnicas dos produtos originados a partir
do conhecimento em questão. Além disso, ela fornece informação suficiente para identificar
que áreas de conhecimento necessitarão evoluir de forma a contribuir para a melhora do
desempenho dos produtos originados.
A partir do entendimento destes princípios, pode-se especular sobre que aplicações poderia
obter maiores vantagens da aplicação deste conhecimento e como este poderia se materializar
sob a forma de um produto. No caso estudado, por exemplo, observou-se que a geração de
energia a partir da utilização de hidrogênio pode ser viabilizada por meio de pilhas de
hidrogênio cuja utilização encontra receptividade no segmento de eletroeletrônicos portáteis.
Definida uma aplicação, identifica-se os principais dispositivos concorrentes no segmento e
avalia-se o desempenho da inovação, comparando-o com o desempenho das tecnologias
maduras. A partir dos resultados, é possível avaliar se a inovação possui condições para
concorrer naquele segmento ou se necessita de maiores desenvolvimentos em um ou mais
aspectos.
5. Conclusões
As inovações originadas a partir do conhecimento científico possuem características próprias
que exigem atenção. O longo tempo de maturação e a necessidade da convergência de
conhecimento de diversas áreas são aspectos que podem aumentar as chances de insucesso de
uma nova tecnologia. Assim sendo, analisá-las da mesma forma como são tratados os demais
tipos pode implicar avaliações equivocadas.
Seguindo a metodologia proposta pelo artigo, observa-se a existência de condições propícias
para o desenvolvimento de pilhas a combustível para eletroeletrônicos portáteis. Isto ocorre
devido ao desempenho superior desta tecnologia em relação à tecnologia existente.
Entretanto, para que isto ocorra de fato, ainda são necessários avanços na área de materiais,
especialmente no que se refere ao desenvolvimento de componentes menores, mais simples e
mais baratos.
Referências
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Alemanha.
BLOMEM, L. J. M. J. (1993) – Fuel Cell Systems. Ed. Plenum Press. New York.
BUCHMANN, I. (2001) – The Fuel Cell: is it Ready? Disponível em www.buchmann.ca. Visitado em 27/04/04.
DRUCKER, P. (1998) – Inovação e espírito empreendedor: práticas e princípios. Ed. Enio Matheus Guazzelli.
São Paulo.
DYER, C. L. (1999) – Replacing the Battery in Portable Electronics. Revista Scientific American, (Julho de
1999). Pp. 88-93. Ed. Scientific American.
ENERGY NEXUS GROUP (2002) – Technology Characterization: Fuel Cells. Energy Nexus Group, Arlington,
Virginia, EUA.
INTERNATIONAL PARTNERSHIP FOR HYDROGEN ECONOMY (2004) – Socio-economics of Hydrogen.
Scoping Paper. IPHE
JOLLIE, D. (2004) – Fuel Cell Market Survey: Portable Applications. Disponível em www.fuelcelltoday.com.
Visitado em 10/10/04.
PAULA, M. C. de (2003) – Avaliação das Pilhas a Combustível como Principal Promotor do Hidrogênio como
Vetor Energético. Tese de Mestrado. COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro.
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