Projetos de engenharia eletrica

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ENERGIA DO FUTURO: CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL

O QUE SÃO CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL?

Uma célula de combustível é uma célula electroquímica que converte continuamente a energia química de um combustível e de um oxidante em energia eléctrica, através dum processo que envolve essencialmente um sistema eléctrodo/electrólito [Kordesch et al., 1996].

Uma célula de combustível pode converter mais do que90% da energia contida num combustível em energia eléctrica e calor. No ano de 1996, as células de combustível com ácido fosfórico (CCAF) apresentavam uma eficiência de conversão eléctrica de 42%, com uma elevada produção de calor [Kordesch et al., 1996].

COMO FUNCIONAM?

Todas as células de combustível são constituídas por dois eléctrodos, um positivo e outro negativo, designados por,cátodo e ânodo, respectivamente [Larminie, 2002]. Igualmente, todas as células têm um electrólito, que tem a função de transportar os iões produzidos no ânodo, ou no cátodo, para o eléctrodo contrário, e um catalisador, que acelera as reacções electroquímicas nos eléctrodos.

A modo de exemplo, utilizando o hidrogénio como combustível e o oxigénio como oxidante, as reacções no ânodo e cátodo na célulade combustível são as seguintes, respectivamente:

hidrogénio (combustível) é alimentado ao ânodo da célula de combustível (ver figura), onde é oxidado no catalisador de platina (camada difusiva/catalítica), havendo a produção de dois electrões e dois protões hidrogénio, H+ (reacção ânodo). De seguida, os electrões produzidos pela reacção de oxidação do hidrogénio são transportados através deum circuito eléctrico e utilizados para produzirem trabalho (corrente contínua). Por sua vez, os protões produzidos na reacção anódica são transportados do ânodo para o cátodo, através do electrólito (no centro da célula). No cátodo, o oxigénio é alimentado e reage com os protões transportados através do electrólito e com os electrões provenientes do circuito eléctrico (reacção cátodo). O produtofinal da reacção que ocorre no cátodo é o vapor de água.

Noutro tipo distinto de células de combustível, o oxigénio é reduzido pelos electrões do circuito eléctrico no cátodo e, de seguida, o seu ião transfere-se através do electrólito para o ânodo, onde se combina com os iões hidrogénio.

A selecção do electrólito é de extrema importância, visto que este deve permitir somente a transferênciade iões do ânodo para o cátodo, ou vice-versa [Cappadonia et al., 2000]. Se os electrões ou outras substâncias transferirem-se através do electrólito do ânodo para o cátodo, ou vice-versa, a performance global da célula de combustível fica seriamente afectada. Por sua vez, de maneira a obter-se o funcionamento mais eficiente possível de uma célula de combustível, os eléctrodos devem ter elevadasáreas de contacto e o electrólito deve ter uma espessura reduzida [Larminie, 2002]. Um electrólito comum nas células de combustível é um ácido, com iões H+ móveis.

Na prática, cada uma das células de combustível pode produzir uma diferença de potencial inferior ou igual a 1 V. Isto significa que para se obterem níveis úteis de potência eléctrica têm de se associar diversas células de combustívelem série (pilha). Deste modo, um sistema de células de combustível apresenta a vantagem de ser modular e, por isso, tem a possibilidade de ser construído para uma ampla gama de potências eléctricas, podendo ir dos mWatts até aos MWatts [Kordesch et al., 1996].

As células de combustível são interligadas entre si por pratos bipolares (ver figura). Estes pratos devem ser bons condutores deelectricidade, e ter canais ao longo da sua superfície, de maneira a possibilitar o escoamento do combustível no ânodo e do ar ou oxigénio no cátodo. Ao mesmo tempo, estes devem permitir um bom contacto eléctrico com os eléctrodos, ser o menos espesso possível e de fabrico barato. Um requisito adicional é o de evitar as fugas de reagentes [Cappadonia et al., 2000].

O desenho e o fabrico das...
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