Trabalho realizado pelos alunos cujo objectivo
principal teve como base a resposta às seguintes questões:
1 O que é uma Pilha de combustível?
2 Quais as fontes dos combustíveis utilizados no seu
funcionamento?
3 Quais os tipos de células existentes hoje no mercado?
4 Aplicações das pilhas de combustível?
1 O que é uma Pilha de combustível?
A pilha de combustível é um dispositivo electroquímico em que um combustível
e um oxidante reagem directamente, produzindo electricidade.
Ao combinar o combustível hidrogénio com o oxigénio existente no ar,
é gerada electricidade sem haver qualquer tipo de combustão.
Água e calor são os únicos subprodutos da reacção quando o hidrogénio
é utilizado como combustível.
Uma vez que este processo não segue o ciclo termodinâmico, as temperaturas
altas não são necessárias para uma boa eficiência.
Além de eficientes, as pilhas de combustível apresentam a vantagem de serem
silenciosas e não poluentes.
Corte de uma pilha de combustível do tipo PEM
Equações que regem o funcionamento de uma pilha de
Combustível:
1 Os átomos de hidrogénio são decompostos em protões e electrões:
H2  2e- + 2 H+
2 Os electrões libertados no ânodo, criam uma diferença de potêncial
em relação ao cátodo, provocando o aparecimento de uma corrente
eléctrica quando uma carga eléctrica é ligada a estes dois terminais.
3 Os protões de hidrogénio libertados na separação dos respectivos
átomos, dirigem-se para o ânodo onde vão estabelecer ligacões
com os electrões que regressam, após ter percorrido o circuito
eléctrico exterior, e com os átomos de oxigénio existentes no ar.
4 A reacção entre protões de hidrogénio, electrões e átomos
de oxigénio é a seguinte:
4H+ +e- + O2  2H2O + Etérmica
Cujo resultado é a criação de moléculas de água mais energia térmica.
Conclusão:
Uma pilha de combustível é um dispositivo electroquímico onde
a energia de uma reacção química é convertida em electricidade,
obtendo-se como subprodutos da reacção água e calor.
2 Quais as fontes de combustíveis utilizados no seu funcionamento?
Sendo necessário fornecer hidrogénio (H2) e oxigénio (O2)
à pilha de combustível, para o seu funcionamento, onde podemos
recorrer para os obter?
2.1 Quais as fontes de oxigénio O2?
O2
No que diz respeito ao oxigénio O2 este encontra-se disponível em grandes
quantidades na atmosfera, sendo apenas necessário forçar a sua entrada
para o terminal do cátodo onde é necessário.
2.2 Quais as fontes de hidrogénio H2?
a) Electrólise da água
b) Reformulação de hidrocarbonetos
2.2a Electrólise da água:
H2O
+
DC = corrente contínua
H2
O
Através da electrólise da água decompomos a sua molécula (H2O)
nos respectivos átomos constituintes, ou seja hidrogénio e oxigénio.
Desta forma obtemos o combustível e também o oxidante necessários
ao funcionamento de uma pilha de combustível.
2.2a Reformulação de hidrocarbonetos (C-H):
C-H
H
C
3 Quais os tipos de células existentes hoje no mercado?
3.1 Células de combustível Alcalinas
3.2 Células de combustível de ácido fosfórico
3.3 Células de carbono derretido
3.4 Células de combustível de óxido sólido
3.5 Células de combustível de troca de protões (PEM)
3.1 Células de combustível Alcalinas
As pilhas de combustível alcalinas foram usadas desde meados de 1960
pela NASA nos programas espaciais Apolo e no Space Shuttle e nos
sistemas elétricos das próprias naves espaciais. Foram considerados apropriados
para aplicações de pequena escala do aeroespaço e da defesa. Entretanto,
o seu uso em aplicações comerciais é limitado porque devem ser alimentadas
com hidrogênio puro e com oxigênio puro, ou através de ar em que o dióxido
de carbono foi totalmente removido.
3.2 Células de combustível de ácido fosfórico
As pilhas do combustível do ácido fosfórico começaram a ser testadas desde
1970. São a tecnologia mais desenvolvida das pilhas de combustível para
aplicações de potência estáticas, em instalações existentes nos edifícios, hotéis,
hospitais. Estes são vocacionados para aplicações estáticas de média a grande
potência. Entretanto, o eletrólito líquido corrosivo e a alta temperatura (200°C),
requerem o projecto do sistema complexo a baixo custo.
3.3 Células de carbono derretido
As pilhas de combustível de carbono derretido operam a temperaturas
muito altas (650°C) que permitem que o uso de combustível directamente sem
a necessidade de um projecto do sistema reformulador de combustível. Estas são
mais complexas do que as pilhas de combustível de ácido fosfórico devido à sua
mais alta temperatura e à utilização de um eletrólito derretido. Necessitam
de um tempo significativo para atingir a temperatura e responder às
variações de potência absorvida, são por isso adquadas à alimentação
de grandes instalações que absorvem potência constante. Foram construídas em
pequenos números nos estados unidos e Japão.
3.4 Células de combustível de oxido sólido
As pilhas de combustível de óxido sólido funcionam a temperaturas extremamente
altas (700°C a 1.000°C). Como consequência destas temperaturas, podem tolerar
combustíveis relativamente impuros, tais como aqueles obtidos no projeto
relativamente simples de carvão. Entretanto (por causa da versatilidade contínua
do eletrólito e do combustível), combinado com o tempo significativo requerido
para alcançar a temperatura e para responder às variações da eletricidade.
Foram demonstrados em ajustes do laboratório.
3.5 Células de combustível de troca de protões (PEM)
As pilhas de combustível de membrana de troca de protões PEM usam uma membrana
contínua do polímero (uma fina película plástica) como um eletrólito. São compactas
e produzem uma corrente elétrica poderosa em relativamente ao seu tamanho. Primeiro
que a aplicação prática para pilhas do combustível do PEM estava no programa
do espaço do gemini. A maioria dos contrutores de automóveis acreditam que as pilhas
de combustível do tipo PEM são a única pilha de combustível apropriada para fornecer
A potência a bordo de um veículo. As pilhas do combustível do PEM têm a densidade
de poder mais elevada, tendo por resultado o peso reduzido, o custo, o volume e
desempenho melhorado. Um eletrólito imobilizado também simplifica o processo
de produção, reduz a corrosão, e fornece uma vida mais longa da pilha.
As pilhas do combustível do PEM operam a temperaturas baixas (< 100°C), permitindo
umas partidas mais rápidas e respostas imediatas às alterações de carga.
São idealmente utilizadas no transporte e nas aplicações estáticas mais pequenas.
As pilhas do combustível do tipo PEM foram demonstradas em sistemas que variam
entre 1 W a 250 kW.
3.5 Células de combustível de troca de protões (PEM)
Fazendo uma rápida análise dos vários tipos de membranas existentes, facilmente
podemos verificar que a membrana do tipo PEM é bastante versátil devido à sua
reversibilidade de funcionamento.
4 Aplicações das pilhas de combustível?
Há muitas maneiras de usar as fuel cell, neste momento, maior parte dos fabricantes
de carros estao a trabalhar no sentido de comercializar os carros com fuel cell.
Fuel cell estao alimentar autocarros, barcos, comboios, avioes, scooters e até bicicletas.
Também há fuel cell a alimentar aspiradores e sinais das estradas.
Fuel cell em miniatura para telemoveis, computadores protateis e despositivos
electronicos que estao a caminho de serem postos no mercado.
Utilizacoes estáticas
Utilizacoes residênciais
Utilizacao nos transportes
Utilizacoes portáteis