Breve introdução sobre os tipos de células de combustível atualmente no mercado

Uma célula de combustível é um sistema biológico e também eletroquímico classificado com base no eletrólito utilizado e no processo de fabricação. Estas células de combustível produzem diversas formas de energia através de um processo eletroquímico ou são utilizadas para gerar energia baseada em calor ou eletricidade sem a necessidade de processos como combustão ou gaseificação. Existem várias tecnologias de células de combustível atualmente em fase de desenvolvimento de protótipos ou de pesquisa, com algumas das mais proeminentes diferindo nos eletrólitos utilizados, nas reações químicas que ocorrem, nos catalisadores envolvidos, nas temperaturas de operação e no tipo de combustível utilizado como matéria-prima. A seguir, você encontrará uma breve introdução às classificações e características atualmente conhecidas das células de combustível. A figura abaixo apresenta resumidamente os combustíveis utilizados nos diversos tipos de células a combustível, bem como explicações estruturais simples e temperaturas de operação; a tabela a seguir apresenta os eletrólitos, temperaturas de operação, combustíveis e vantagens e desvantagens necessárias para cada tipo de célula a combustível.

I. Células a combustível de membrana eletrolítica polimérica (PEMFC - Células a combustível de membrana eletrolítica polimérica)

       A alta densidade de potência e o peso leve das células a combustível de membrana eletrolítica polimérica (PEMFC) tornam-nas uma escolha mais popular do que outros tipos de células a combustível. É também a rota tecnológica mais comum e amplamente promovida para aplicações comerciais. Este nome é usado de forma intercambiável com células a combustível de membrana de troca de prótons e aqui também se refere especificamente a células a combustível de baixa temperatura (LT-PEM). Eletrólitos de polímero sólido e eletrodos de carbono com catalisadores de platina ou liga de platina permitem que essas células de combustível usem apenas hidrogênio e oxigênio (ar). Normalmente, os PEMFCs usam hidrogênio puro (99,99%+) de tanques de armazenamento ou reformadores como combustível. Estas células de combustível operam a uma temperatura mais baixa, em torno de 80°C (176°F), resultando em tempos de partida mais rápidos e menos desgaste dos componentes do sistema, o que significa maior durabilidade. No entanto, o uso de catalisadores de metais preciosos, como a platina, aumenta os custos do sistema. Embora os PEMFCs sejam usados ​​principalmente para fins de transporte, eles também podem ser usados ​​em aplicações estacionárias de geração de energia combinada de calor e energia. Eles são particularmente adequados para aplicações em veículos como ônibus, carros e caminhões pesados. Existem muitos grandes players, como a Toyota do Japão, a Hyundai da Coreia do Sul, Ballard, etc., e as empresas nacionais são numerosas demais para serem mencionadas.

II. Células de Combustível de Metanol Direto (DMFC - Células de Combustível de Metanol Direto)

A maioria das células de combustível é alimentada por hidrogénio, que pode ser fornecido diretamente ao sistema ou produzido através da reforma de combustíveis ricos em hidrogénio, como metanol, etanol ou hidrocarbonetos. No entanto, a operação do DMFC (célula a combustível de metanol direto) é baseada inteiramente em metanol 100%, que geralmente é misturado com água antes de ser injetado diretamente no ânodo da célula a combustível. Os DMFCs não sofrem das dificuldades de armazenamento de combustível comuns com outros sistemas de células de combustível porque o metanol tem uma densidade energética mais alta que o hidrogênio (embora menor que a gasolina ou os combustíveis diesel). Além disso, o metanol é um líquido, tal como a gasolina, o que facilita o seu transporte e distribuição através da infra-estrutura existente. DMFCs são comumente usados ​​em aplicações de células de combustível portáteis, como telefones celulares e laptops. Atualmente, algumas empresas estão fazendo promoção comercial, principalmente em cenários como indústria militar e estações base. O princípio estrutural é mostrado na figura:

III. Células de Combustível Alcalinas (AFC - Células de Combustível Alcalinas)

A água eletrolisada alcalina (AEC) é bem conhecida de todos, mas as células de combustível alcalinas (AFC) podem não ser, embora a AFC seja uma das primeiras tecnologias de células de combustível inventadas e seja amplamente utilizada no programa espacial dos EUA para produzir eletricidade e água em naves espaciais. Uma solução de hidróxido de potássio e água é usada como eletrólito, o que por sua vez dá a liberdade de usar grandes quantidades de catalisadores de metais não nobres no ânodo e no cátodo. Recentemente, surgiram novos AFCs usando membranas poliméricas como eletrólitos. Essas células a combustível são semelhantes às células a combustível PEM tradicionais, mas usam uma membrana alcalina em vez de uma membrana ácida. Um dos principais obstáculos às células de combustível alcalinas (AFCs) é a sua vulnerabilidade ao envenenamento por dióxido de carbono (CO2). Mesmo pequenas quantidades de dióxido de carbono no ar podem criar depósitos de carbonato que podem afetar gravemente a eficiência e a vida útil da bateria. Embora os AFCs com eletrólitos líquidos possam funcionar no modo de recirculação para regenerar o eletrólito e reduzir a formação de carbonato, este modo introduz corrente de derivação e outros problemas, como molhabilidade, corrosão e manuseio de pressão diferencial. As células a combustível de membrana alcalina (AMFCs) resolvem esses problemas e são menos suscetíveis ao envenenamento por dióxido de carbono do que as AFCs que usam eletrólitos líquidos. No entanto, o dióxido de carbono ainda afecta o seu desempenho, e actualmente estão atrás das células de combustível de membrana de troca de protões (PEMFCs) tanto em desempenho como em durabilidade. Os AMFCs estão atualmente sendo estudados quanto ao seu uso potencial na faixa de multiwatts a multiquilowatts. Contudo, em aplicações práticas, alguns desafios precisam ser enfrentados, como tolerância ao dióxido de carbono, condutividade da membrana e durabilidade. A promoção comercial é fraca e as empresas conhecidas são poucas.

4. Células a combustível de ácido fosfórico (PAFCs —— Células a combustível de ácido fosfórico)

As células a combustível de ácido fosfórico (PAFCs) usam ácido fosfórico líquido como eletrólito, que é envolto em uma matriz de carboneto de silício e ligado com politetrafluoroetileno (PTFE). O eletrodo consiste em carbono poroso contendo um catalisador de platina. Os PAFCs são frequentemente chamados de células de combustível modernas de “primeira geração” e são considerados um dos tipos de células de combustível mais maduros e têm sido usados ​​comercialmente há algum tempo. Eles são usados ​​principalmente para geração de energia estacionária, mas também há exemplos de PAFCs que alimentam veículos de grande porte, como ônibus urbanos. Em comparação com as células de membrana de troca de prótons (PEM), os PAFCs têm vantagens em tolerar impurezas em combustíveis fósseis que são convertidos em hidrogênio. As células PEM são facilmente “envenenadas” pelo monóxido de carbono, que se liga ao catalisador de platina no ânodo, reduzindo a eficiência da célula a combustível. Em contraste, os PAFCs têm uma certa tolerância a impurezas e são mais de 85% eficientes quando combinados com calor e energia. No entanto, são menos eficientes quando geram apenas electricidade, com eficiências que variam entre 37% e 42%. Este nível de eficiência é apenas ligeiramente melhor do que o das centrais eléctricas baseadas na combustão, que normalmente têm cerca de 33% de eficiência. Além disso, os PAFCs são menos potentes e maiores do que outras células de combustível do mesmo peso e volume, tornando sua produção mais cara. A fabricação dessas células de combustível requer grandes quantidades de catalisadores de platina caros, o que resulta em custos mais elevados. Empresas representativas como a Doosan da Coreia do Sul (DOOSAN) . Os PAFCs são usados ​​principalmente para geração de energia estacionária e drones.

V. ​Células de combustível de carbonato fundido (MCFC-Células de combustível de carbonato fundido)

O desenvolvimento de células a combustível de carbonato fundido (MCFCs) está atualmente em andamento com o objetivo de utilizá-las em usinas de gás natural e de carvão para uma variedade de aplicações nos setores de serviços públicos de eletricidade, industriais e militares. Essas células a combustível são projetadas para operar em temperaturas em torno de 650°C (1200°F) e são consideradas células a combustível de alta temperatura. O eletrólito usado no MCFC é um sal carbonato fundido suspenso em uma matriz cerâmica inerte porosa de óxido de alumínio e lítio. Um benefício de operar em altas temperaturas é que metais não nobres podem ser usados ​​como catalisadores tanto para o ânodo quanto para o cátodo, o que ajuda a reduzir custos. Os MCFCs podem reduzir significativamente os custos devido ao aumento da eficiência. Quando combinadas com turbinas, essas células a combustível podem atingir eficiências de até 6,5 % , excedendo em muito a eficiência de 37-42% das células a combustível de ácido fosfórico. Além disso, quando o calor residual é capturado e utilizado, a eficiência geral do combustível pode exceder 85%. Ao contrário das células de combustível alcalinas, de ácido fosfórico e PEM, os MCFCs não requerem um reformador externo para converter combustíveis como gás natural e biogás em hidrogênio. Em vez disso, a própria célula de combustível converte metano e outros hidrocarbonetos leves em hidrogénio através de reforma interna, reduzindo assim os custos. Com a tecnologia atual, os MCFCs enfrentam uma grande deficiência em termos de durabilidade. Condições operacionais rigorosas em altas temperaturas e o uso de eletrólitos corrosivos aceleram a corrosão e a decomposição dos componentes, reduzindo, em última análise, a vida útil . Os pesquisadores estão investigando ativamente o uso de materiais resistentes à corrosão e desenvolvendo projetos de células de combustível que poderiam dobrar a vida útil atual de 40.000 horas (cerca de cinco anos) sem sacrificar o desempenho. Empresas representativas como a Fuel Cell Energy nos Estados Unidos.

VI : Baterias de óxido sólido de alta temperatura (SOFC-Solid Oxide Fuel Cells)

As células a combustível de óxido sólido (SOFCs) utilizam um composto cerâmico duro e não poroso como eletrólito e são altamente eficientes na conversão de combustível em eletricidade, cerca de 60%. Em aplicações combinadas de calor e energia, a eficiência geral do combustível pode exceder 84% através da captura e utilização do calor residual do sistema. Essas células de combustível operam em temperaturas muito altas, de até 1.830°F.

Esta operação em alta temperatura não requer catalisadores de metais preciosos, reduzindo custos. Além disso, os SOFCs podem reformar o combustível internamente, permitindo o uso de uma variedade de combustíveis e reduzindo os gastos associados à adição de um conversor ao sistema. As células a combustível de óxido sólido (SOFC) têm vantagens distintas sobre outros tipos de células a combustível. Por exemplo, podem tolerar mais enxofre do que outros tipos e não são sensíveis ao envenenamento por monóxido de carbono, o que significa que podem funcionar com uma variedade de combustíveis, como gás natural, biogás e gases derivados do carvão. Além disso, a operação em alta temperatura elimina a necessidade de catalisadores de metais preciosos, tornando-a mais barata. No entanto, a operação em altas temperaturas apresenta desafios, incluindo inicialização lenta e requisitos de proteção térmica, o que os torna inadequados para transporte. Além disso, a durabilidade é uma questão crítica devido às condições adversas em altas temperaturas. Portanto, é crucial desenvolver materiais de baixo custo que possam resistir a essas condições. Uma abordagem promissora é desenvolver SOFCs de temperatura mais baixa, que tenham menos problemas de durabilidade e custos operacionais mais baixos. Embora estes SOFCs de baixa temperatura ainda não tenham alcançado o mesmo desempenho que os sistemas de alta temperatura, os cientistas estão atualmente desenvolvendo pilhas de materiais que podem operar nesta faixa de temperatura mais baixa. Actualmente, existem muitas empresas relacionadas no país e no estrangeiro. Os princípios estruturais e de funcionamento específicos são mostrados na figura.

VII . Células de Combustível Reversíveis (RFC - Células de Combustível Reversíveis)

A rigor, as células a combustível reversíveis não se referem a uma rota técnica específica. Atualmente, os mais comuns são reversíveis alcalinos, reversíveis PEM e reversíveis SOC (referindo-se à eletrólise reversível de água e células de combustível). Seus princípios de funcionamento são semelhantes aos de outras células de combustível porque geram eletricidade e calor a partir de hidrogênio, oxigênio e água como subprodutos. No entanto, os sistemas de células de combustível reversíveis têm a capacidade adicional de realizar eletrólise e produzir combustíveis de hidrogénio e oxigénio utilizando eletricidade de fontes renováveis, como a energia solar e eólica. Isto significa que uma célula de combustível reversível não só fornece eletricidade quando necessário, mas também pode armazenar o excesso de energia sob a forma de hidrogénio quando as tecnologias de energia renovável produzem mais energia do que a atualmente necessária. Este potencial de armazenamento de energia é fundamental para tornar a energia renovável intermitente mais eficiente e confiável.