Hoje, o mundo está correndo em direção a um futuro de energia sustentável. Embora o vencedor final seja desconhecido, o hidrogênio surgiu como um claro favorito, fornecendo inúmeras possibilidades para produção, distribuição e aplicação de energia. Para resolver o mistério do título vantagens da célula de combustível, vamos começar com o que é célula de combustível e seus tipos e então descobriremos tudo sobre suas vantagens e desvantagens.
As células de combustível existem há mais de 150 anos e fornecem uma fonte de energia infinita, ecologicamente segura e constantemente disponível. Então, por que elas ainda não são usadas em todos os lugares? Até recentemente, era devido ao custo. As células eram proibitivamente caras de fabricar. Esse não é mais o caso.
O que é célula de combustível?
Uma célula de combustível é um dispositivo eletroquímico que converte energia química em corrente elétrica utilizável. Cada célula de combustível tem dois eletrodos conhecidos como ânodo e cátodo. Os eletrodos são onde as reações que geram eletricidade acontecem.
Cada célula de combustível também tem um eletrólito, que transporta partículas eletricamente carregadas de um eletrodo para o outro, bem como um catalisador, que acelera as reações nos eletrodos. Embora o hidrogênio seja o combustível mais básico, as células de combustível também requerem oxigênio. Um dos aspectos mais atraentes das células de combustível é que elas produzem muito pouco poluição grande parte do hidrogênio e do oxigênio necessários para criar energia acabam se misturando para formar um subproduto inofensivo, principalmente água.
Uma única célula de combustível produz uma quantidade insignificante de eletricidade de corrente contínua (CC). Na prática, várias células de combustível são frequentemente empilhadas juntas. Os conceitos são os mesmos, seja em uma célula ou em uma pilha. Depois disso, vamos explorar as vantagens e desvantagens das células de combustível.
4 Vantagens e desvantagens da célula de combustível
Sir William Robert Grove, um juiz, inventor e cientista galês, inventou a primeira célula de combustível em 1839. Ele criou eletricidade e água combinando hidrogênio e oxigênio na presença de um eletrólito. A inovação, mais tarde conhecida como célula de combustível, não gerou eletricidade suficiente para ser útil. Então, vamos rever algumas das células de combustível vantagens e desvantagens.
Vantagens
1. Não é necessária recarga
Uma célula de combustível não precisa ser recarregada. Uma célula de combustível pode replicar energia até ser abastecida com combustível.
2. Sem problemas de saúde
As células de combustível não são perigosas e não causam problemas de saúde porque não produzem fumaça ou poluição atmosférica enquanto operam.
3. Eficiente
As células de combustível são extremamente eficientes porque podem transformar energia química diretamente em energia elétrica. Em comparação com outras alternativas de mercado acessíveis, as células de combustível são 60% mais eficientes.
4. Livre de poluição
As células de combustível não têm impacto negativo na poluição do ar. Esta é uma das vantagens mais notáveis entre outras vantagens das células de combustível. Como uma célula de combustível não tem partes mecânicas, ela é completamente silenciosa, portanto, sem poluição sonora.
Se o hidrogênio for empregado como combustível de entrada, os únicos subprodutos observados serão água, calor e eletricidade, resultando em eficiência máxima e nenhuma emissão de material prejudicial.
Desvantagens
1. Caro e não duradouro
Assim como as vantagens das células de combustível, elas também têm desvantagens. Como elas são bem caras por natureza. As células de combustível têm uma vida útil mais curta.
2. Difícil de armazenar
As células de combustível são difíceis de armazenar, pois o combustível usado nas células deve ser mantido em um nível específico de temperatura e pressão.
3. Inseguro e Perigoso
O hidrogênio é um combustível muito inflamável, o que levanta problemas óbvios de segurança. No ar, o gás hidrogênio queima em concentrações que variam de 4 a 75%.
4. Difícil de extrair
Apesar de ser o elemento mais abundante no Universo, o hidrogênio não existe por si só, portanto, ele deve ser coletado da água por eletrólise ou isolado de combustíveis fósseis à base de carbono. Ambas as abordagens exigem uma quantidade significativa de energia para serem concluídas.
Essa energia pode ser mais cara do que a obtida do próprio hidrogênio. Além disso, na ausência de CCS, essa extração frequentemente necessita do uso de combustíveis fósseis, minando as credenciais ecológicas do hidrogênio.
Quais são os vários tipos de células de combustível?
Depois de aprender sobre as vantagens e desvantagens das células de combustível, vamos também aprender sobre os vários tipos de células de combustível. A principal distinção entre células de combustível é a tipo de eletrólito usado. Esta classificação define o tipo de:
- Processos eletroquímicos que ocorrem na célula
- O tipo de catalisadores necessários
- A faixa de temperatura na qual a célula funciona
- O combustível necessário e outros critérios.
Essas propriedades, por sua vez, influenciam as aplicações para as quais essas células são mais adequadas. Várias variedades de células de combustível estão sendo desenvolvidas atualmente, cada uma com seu próprio conjunto de vantagens, limitações e possíveis aplicações. Saiba mais sobre os tipos de células de combustível abaixo.
1. Células de combustível de polímero de membrana eletrolítica
Membrana eletrolítica de polímero As células de combustível (PEM), também conhecidas como células de combustível de membrana de troca de prótons, têm uma alta densidade de potência e baixo peso e volume quando comparado às células de combustível convencionais. O eletrólito das células de combustível PEM é um polímero sólido, e os eletrodos são de carbono poroso com um catalisador de platina ou liga de platina. Eles simplesmente requerem hidrogênio, oxigênio do ar e água para funcionar. Eles são tipicamente alimentados por hidrogênio puro fornecido por tanques de armazenamento ou reformadores.
Células de combustível PEM funcionar em Baixas temperaturas, normalmente em torno de 80°C (176°F). A operação em baixa temperatura permite que eles iniciem rapidamente (com tempo de aquecimento reduzido) e resulta em menos desgaste nos componentes do sistema, resultando em maior durabilidade. No entanto, isso requer o uso de um catalisador de metal nobre (geralmente platina) para separar os elétrons e prótons do hidrogênio, o que aumenta o custo do sistema. Como o catalisador de platina é particularmente sensível ao envenenamento por monóxido de carbono, um reator extra é necessário para remover o monóxido de carbono no gás combustível se o hidrogênio for produzido a partir de um combustível de hidrocarboneto. Este reator também é caro.
As células de combustível PEM são principalmente empregado em transporte e algumas aplicações estacionárias. Células de combustível PEM são especialmente adequadas para uso em aplicações automotivas, como automóveis, ônibus e caminhões pesados.
2. Células para combustível de metanol direto
A maioria das células de combustível é alimentada por hidrogênio, que pode ser entregue diretamente no sistema ou criado dentro do sistema pela reforma de combustíveis ricos em hidrogênio, como metanol, etanol e combustíveis de hidrocarbonetos. No entanto, células de combustível de metanol direto (DMFCs) são alimentado por metanol puro, que normalmente é combinado com água e entregue diretamente ao ânodo da célula de combustível.
Porque o metanol tem um maior densidade de energia do que o hidrogênio, embora menos do que a gasolina ou o óleo diesel. As células de combustível de metanol direto evitam muitos dos problemas de armazenamento de combustível que afetam alguns sistemas de células de combustível. Como o metanol é um líquido, como a gasolina, também é mais fácil de transportar e entregar ao público usando nossa infraestrutura atual. As DMFCs são frequentemente utilizadas para alimentar aplicações de células de combustível portáteis, como celulares e laptops.
3. Células para combustível alcalino
As células de combustível alcalinas (AFCs) estavam entre as primeiras tecnologias de células de combustível inventadas, e foram o primeiro tipo amplamente empregado no programa espacial dos Estados Unidos para gerar energia elétrica e água a bordo de naves espaciais. O eletrólito nessas células de combustível é um solução de hidróxido de potássio em água, e o ânodo e o cátodo podem ser de vários metais não preciosos.
Um desafio significativo para este tipo de célula de combustível é que ela é propenso a envenenamento por dióxido de carbono (CO2). Na verdade, até mesmo vestígios de CO2 no ar podem ter um impacto significativo no desempenho e durabilidade da célula devido à produção de carbonato. Células alcalinas com eletrólitos líquidos podem ser executadas em um modo de recirculação, o que permite a regeneração do eletrólito para ajudar a diminuir os impactos da produção de carbonato no eletrólito, mas também introduz e desvia dificuldades de corrente.
Problemas adicionais com sistemas de eletrólito líquido incluem molhabilidade, aumento da corrosão e dificuldades no controle de pressões diferenciais. Essas dificuldades são abordadas por células de combustível de membrana alcalina (AMFCs), que são menos suscetíveis ao envenenamento por CO2 do que AFCs de eletrólito líquido. No entanto, o CO2 continua a ter um impacto no desempenho, e o desempenho e a durabilidade das AMFCs ficam atrás dos PEMFCs.
AMFCs estão sendo estudados para aplicações variando de W a kW. Tolerância ao dióxido de carbono, condutividade e durabilidade da membrana, operação em temperatura mais alta, gerenciamento de água, densidade de potência e eletrocatálise de ânodo são todos desafios para AMFCs.
4. Células de ácido fosfórico
PAFCs use ácido fosfórico líquido como eletrólito (o ácido é mantido em uma matriz de carboneto de silício ligada a Teflon) e eletrodos de carbono porosos com um catalisador de platina. O diagrama à direita descreve as reações eletroquímicas que ocorrem na célula.
O PAFC é considerado uma célula de combustível contemporânea de “primeira geração”. É um dos tipos de células mais desenvolvidos e o primeiro a ser comercializado. Embora esse tipo de célula de combustível seja normalmente usado para gerar energia estacionária, algumas PAFCs têm sido usadas para alimentar veículos grandes, como ônibus urbanos.
Os PAFCs são mais resistente para impurezas em combustíveis fósseis reformados do que células PEM, que são facilmente “envenenadas” por monóxido de carbono porque o monóxido de carbono se liga ao catalisador de platina no ânodo, reduzindo a eficiência da célula de combustível. PAFCs são mais de 85% eficientes quando usadas para gerar eletricidade e calor, mas são menos eficientes quando usadas para gerar apenas eletricidade (37%-42%).
O eficiência de PAFCs é apenas um pouco maior do que a de usinas de energia baseadas em combustão, que normalmente operam com cerca de 33% de eficiência. Dado o mesmo peso e volume, os PAFCs são igualmente menos potentes do que outras células de combustível. Portanto, essas células de combustível são tipicamente grandes e pesadas. Os PACs também são caros. Eles exigem cargas de catalisador de platina substancialmente maiores do que outras formas de células de combustível, o que aumenta o custo.
5. Células de combustível para carbonato fundido
As células de combustível de carbonato fundido (MCFCs) estão sendo desenvolvidas para usinas de energia a gás natural e a carvão, bem como para usos elétricos, industriais e militares. As MCFCs são células de combustível de alta temperatura que use um eletrólito feito de sais de carbonato fundidos flutuando em uma matriz de óxido de alumínio e lítio cerâmico poroso e quimicamente inerte. Metais não preciosos podem ser empregados como catalisadores no ânodo e no cátodo, pois trabalham em altas temperaturas de 650°C (aproximadamente 1,200°F).
Outra razão pela qual as MCFCs oferecem economias de custos significativas em relação às células de combustível de ácido fosfórico é eficiência melhorada. Quando combinadas com uma turbina, as células de combustível de carbonato fundido podem atingir eficiências que se aproximam de 65%, o que é significativamente maior do que as eficiências de 37%-42% de uma operação de célula de combustível de ácido fosfórico. A eficiência geral do combustível pode exceder 85% quando o calor residual é recuperado e utilizado.
MCFCs não requer um reformador externo para converter gás natural e biogás em hidrogênio. Como os MCFCs operam em altas temperaturas, o metano e outros hidrocarbonetos leves nesses combustíveis são transformados em hidrogênio dentro da própria célula de combustível por meio de um processo conhecido como reforma interna, que também economiza dinheiro.
A desvantagem fundamental da tecnologia MCFC existente é a sua Curto tempo de vida. As altas temperaturas operacionais dessas células, juntamente com o eletrólito cáustico empregado, aceleram a quebra e a corrosão dos componentes, reduzindo a vida útil da célula. Os cientistas estão atualmente investigando materiais resistentes à corrosão para componentes, bem como projetos de células de combustível que podem dobrar a vida útil da célula das atuais 40,000 horas (cinco anos) sem comprometer o desempenho.
6. Células para combustível de óxido sólido
Nas células de combustível de óxido sólido (SOFCs), o eletrólito é uma cerâmica densa e não porosa. SOFCs convertem combustível em eletricidade a uma taxa de cerca de 60% de eficiência. A eficiência geral do uso de combustível pode exceder 85% em sistemas destinados a capturar e utilizar o calor residual do sistema (cogeração).
SOFCs funcionar em temperaturas extremamente altas, até 1,000°C (1,830°F). A operação em alta temperatura elimina a necessidade de um catalisador de metal precioso, reduzindo custos. Ela também permite que as SOFCs reformem combustíveis internamente, permitindo que elas usem uma gama maior de combustíveis e reduzindo a despesa de adicionar um reformador ao sistema.
SOFCs também são o tipo de célula de combustível mais resistente a enxofre, capazes de suportar ordens de magnitude a mais de enxofre do que outros tipos de células. Além disso, elas não são prejudicadas pelo monóxido de carbono, que pode até ser usado como combustível. Essa característica permite que SOFCs usem gás natural, biogás e gases derivados de carvão. Existem desvantagens em operar em altas temperaturas.
Isso causa um início retardado e necessita de blindagem térmica extensa para preservar o calor e proteger os funcionários, o que é bom para fins de utilidade, mas não para transporte. Por causa do altas temperaturas de operação, os materiais devem atender a padrões severos de durabilidade. A principal dificuldade técnica para essa tecnologia é o desenvolvimento de materiais de baixo custo com alta resistência em temperaturas operacionais de células.
Cientistas agora estão investigando a possibilidade de construir SOFCs de temperatura mais baixa que operem a 700°C ou menos, tenham menos problemas de durabilidade e sejam mais baratos. SOFCs de temperatura mais baixa ainda não igualaram o desempenho de sistemas de temperatura mais alta, e materiais de pilha para essa faixa de temperatura mais baixa ainda estão sendo desenvolvidos.
7. Células de combustível reversíveis
Células de combustível reversíveis, como células de combustível convencionais, criam eletricidade a partir de hidrogênio e oxigênio, enquanto também produzem calor e água como subprodutos. Sistemas de células de combustível reversíveis, por outro lado, pode usar eletricidade de energia solar, eólica ou outras fontes para dividir a água em oxigênio e hidrogênio por meio de um processo conhecido como eletrólise.
As células de combustível reversíveis podem produzir eletricidade quando necessário, mas durante períodos de alta potência de saída de outras tecnologias (por exemplo, quando ventos fortes resultam em excesso de energia eólica disponível), células de combustível reversíveis podem armazenar o excesso de energia na forma de hidrogênio. Essa capacidade de armazenamento de energia tem o potencial de ser um divisor de águas para a tecnologia de energia renovável intermitente. Depois disso, vamos aprender sobre o princípio de funcionamento das células de combustível.
Veja também: As 3 principais ações de energia verde na Índia
Qual é o princípio de funcionamento da célula de combustível?
Depois de aprender sobre as vantagens das células de combustível, você também deve aprender sobre o princípio de funcionamento das células de combustível. Uma célula de combustível é feito de dois eletrodos, um ânodo e um cátodo separados por uma membrana eletrolítica. Hidrogênio, metano, etano, etanol e outros combustíveis orgânicos podem ser utilizados em uma célula de combustível para gerar eletricidade. Estes os combustíveis sofrem combustão incompleta e emitem calor como um subproduto. A maioria dessas reações são redox por natureza e criam água e dióxido de carbono como subprodutos.
O transporte de elétrons em reações redox resulta na conversão de energia química em energia elétrica. Entre os eletrodos fica uma substância eletrolítica. O combustível é entregue a cada eletrodo separadamente. Suponha que em uma célula de combustível, o hidrogênio é entregue ao ânodo e o ar é alimentado ao cátodo. Neste caso, o catalisador no lado do ânodo da célula tende a quebrar as moléculas de hidrogênio em partículas menores, como prótons e elétrons.
Ambos os elementos tentam viajar em direção ao cátodo por rotas distintas. Os elétrons seguem um canal externo para o cátodo, fornecendo corrente, enquanto os prótons passam pela membrana eletrolítica para o cátodo, onde reagem com moléculas de oxigênio e elétrons para formar água e calor como subprodutos.
Leia também: As 30 maiores empresas de energia renovável da Índia
Liste algumas aplicações de células de combustível
Vamos dar uma olhada em dez usos para células de combustível de hidrogênio, alguns dos quais você talvez não conheça!
1. Gestão de Armazéns: Várias grandes organizações de armazenagem e distribuição estão recorrendo às células de combustível de hidrogênio para abastecer caminhões, empilhadeiras, transpaleteiras e outros equipamentos limpos.
2. Distribuição Internacional: As células de combustível têm o alcance e a potência necessários para transporte de longa distância e distribuição local. Nikola, Hyundai, Toyota, Kenworth e UPS já estão fabricando semi-caminhões e vans movidos a hidrogênio.
3. Ônibus: A energia de hidrogênio está sendo estudada para uso em diferentes modos de transporte público, incluindo ônibus de célula de combustível de hidrogênio. Várias cidades grandes têm experimentado ônibus movidos a hidrogênio, incluindo Chicago, Vancouver, Londres e Pequim.
4. Trens: Os trens movidos a células de combustível de hidrogênio já chegaram à Alemanha, e mais tipos estão previstos para chegar ao Reino Unido, França, Itália, Japão, Coreia do Sul e Estados Unidos nos próximos cinco anos.
5. Veículos individuais: Nove grandes fabricantes de automóveis estão trabalhando em veículos elétricos de célula de combustível de hidrogênio (HFCEVs) para uso pessoal. Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo e BMW I Hydrogen Next estão entre os modelos notáveis.
6. Aviões: Vários projetos experimentais, incluindo os protótipos Pathfinder e Helios, investigaram o uso de células de combustível de hidrogênio na indústria aeroespacial. Esses veículos não tripulados de longa distância usavam um sistema híbrido com células de combustível de hidrogênio que eram alimentadas por painéis solares, permitindo voos contínuos diurnos e noturnos teoricamente ilimitados.
7. Geração de energia de reserva: Células de combustível estacionárias são utilizadas em sistemas de fornecimento de energia ininterrupta (UPS) onde o tempo de atividade contínuo é importante. Hospitais e data centers estão cada vez mais recorrendo ao hidrogênio para fornecimento de energia ininterrupta. A Microsoft recentemente fez notícia por um teste bem-sucedido de seus novos geradores de backup de hidrogênio, que permitiram que o servidor de um data center funcionasse apenas com hidrogênio por dois dias.
8. Geração de energia móvel: O hidrogênio fornece inúmeras escolhas para geração de energia móvel. A NASA, de fato, produziu algumas das primeiras células de combustível de hidrogênio para alimentar foguetes e ônibus espaciais no espaço.
9. Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT): Muitas aplicações inovadoras de UAVs (ou seja, drones), que vão desde entrega de pacotes até missões de busca e salvamento, são severamente prejudicadas pela potência e alcance fornecidos por baterias padrão. Tanto as empresas militares quanto as privadas pretendem abordar essas questões com células de combustível de hidrogênio, que têm até três vezes o alcance de dispositivos alimentados por bateria. As células de combustível fornecem uma maior relação energia-massa e podem ser recarregadas em questão de minutos.
10. Barcos e submarinos: As células de combustível de hidrogênio estão sendo usadas em uma variedade de aplicações marítimas. Alguns barcos, como o Energy Observer, até criam seu próprio hidrogênio para um sistema de célula de combustível usando painéis solares e turbinas eólicas a bordo. As células de combustível de hidrogênio fornecem uma alternativa para poder nuclear para submarinos militares furtivos, como o alemão Tipo 212, com grande alcance, cruzeiro silencioso e pouco calor de exaustão.
As células de combustível são uma substituição promissora para os combustíveis automotivos atuais. Embora certas partes da tecnologia, como armazenamento a bordo eficaz, exijam mais desenvolvimento, não há razão para que as células de combustível não possam se tornar um combustível de transporte tão conveniente e atraente quanto o diesel ou a gasolina são hoje. Espero que através deste artigo tenha sido fácil entender as vantagens e desvantagens das células de combustível. Por favor, compartilhe suas dúvidas na seção de comentários.
Recomendado: Vantagens e desvantagens da energia das marés
