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Pilhas de Combustíveis
nos Transportes
Jorge Esteves
Instituto Superior Técnico
DEEC / Centro de Automática da UTL
estevesj@alfa.ist.utl.pt
José Maia
Escola Superior de Tecnologia,
Instituto Politécnico de Setúbal
Centro de Automática da UTL
jmaia@est.ips.pt
APVE - Associação Portuguesa do Veículo Eléctrico
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Pilhas de Combustível
• A pilha de combustível
é um dispositivo electroquímico
que converte, sem
qualquer combustão, energia de um determinado combustível em energia
eléctrica.
• O resultado desta conversão directa apresenta um rendimento elevado e é não
poluente; a pilha de combustível produz unicamente electricidade, calor e água.
• O combustível utilizado é hidrogénio que pode ser fornecido na sua forma pura
ou a partir de uma mistura produzida por um processo de reformulação a partir
de um hidrocarboneto.
• A decisão quanto à utilização de hidrogénio puro ou de um sistema reformador
no interior do automóvel imputa custos de investimento, problemas de
rendimento e de desempenho e não existe consenso sobre a via que virá a ser
predominante.

Pilhas de Combustível
(2)
• Inventada em 1839 por Sir Grove
Tubos “ox” contêm oxigénio;
tubos “hy” contêm hidrogénio; os
tubos estão imersos em ácido
sulfúrico
diluído; do; as barras pretas
são folhas de platina; a corrente
eléctrica circulava na direcção da
seta para realizar uma electrólise
lise
• É utilizada em naves aeroespaciais desde os anos 60

Pilhas de Combustível
(3)
Princípio de funcionamento de uma PC
• Hidrogénio
é
ânodo da PC
fornecido através s do
H 2
• Oxigénio (ou ar) entram através s do
cátodo.
Ânodo (-)
Catalisador
• “Encorajado” pelo catalisador, o átomo
de hidrogénio divide-se num protão e
num electrão, que tomam diferentes
caminhos para o cátodo. c
Fluxo de
electrões
Electrólito
Catalisador
Cátodo (+)
H 2 O
+ calor
• O protão passa pela membrana mas o
electrão não consegue.
• Estes electrões criam uma corrente
eléctrica que pode ser utilizada antes
do seu retorno ao cátodo. c
O 2
• No cátodo, c
a reunião do hidrogénio e
do oxigénio criam uma molécula de
água.

Pilhas de Combustível
(4)
Princípio de funcionamento de uma PC
• Hidrogénio
é
ânodo da PC
fornecido através s do
• Oxigénio (ou ar) entram através s do
cátodo.
• “Encorajado” pelo catalisador, o átomo
de hidrogénio divide-se num protão e
num electrão, que tomam diferentes
caminhos para o cátodo. c
• O protão passa pela membrana mas o
electrão não consegue.
• Estes electrões criam uma corrente
eléctrica que pode ser utilizada antes
do seu retorno ao cátodo. c
• No cátodo, c
a reunião do hidrogénio e
do oxigénio criam uma molécula de
água.

Diversos tipos de Pilhas de Combustível
• O tipo de electrólito lito utilizado está relacionado com o nome
atribuído aos diferentes tipos de PC:
AFC alkaline fuel cell pilha de combustível alcalina
PAFC phosphoric acid fuel cell pilha de combustível de ácido fosfórico
MCFC molten carbonate fuel cell pilha de combustível de carbonato fundido
SOFC solid oxide fuel cell pilha de combustível de óxido sólido
SPFC solid polymer fuel cell pilha de combustível de polímero sólido
Surgem, também, as seguintes designações para as SPFC:
SPEFC solid polymer electrolyte fuel cell
PEFC proton exchange fuel cell ou polymer electrolyte fuel cell
PEMFC proton exchange membrane fuel cell
IEMFC ion exchange membrane fuel cell
Como excepção à regra anterior, relativa ao nome, surge a:
DMFC - direct methanol fuel cell , pilha de combustível em que o combustível utilizado é
o metanol.

Tipos de Pilhas de Combustível
Temperatura de
operação [ o C]
Combustível* Electrólito Aplicação
AFC 80 H 2
KOH
(hidróxido de
potássio)
transporte aeroespacial
SPFC 40-80 H 2
(/CO 2
) polímero transporte, produção de
electricidade (rede e baterias), cogeração
DMFC 60-130 metanol polímero produção de electricidade
(baterias), transporte (?)
PAFC 200 H 2
(/CO 2
) ácido fosfórico produção de electricidade (rede),
co-geração**
MCFC 650 H 2
, CO carbonato fundido
produção de electricidade (rede),
co-geração**
SOFC 1000 H 2
, CO óxido sólido produção de electricidade (rede),
co-geração**
Nota:
* Pilhas de combustível que aceitem misturas de H 2
CO 2
podem, em combinação com reformador, utilizar alguns
hidrocarbonetos; ** co-geração: produção de energia eléctrica e energia térmica.
(fonte: página internet da AMERLIS: http://www.terravista.pt/AguaAlto/2295/ )

Tipos de Pilhas de Combustível
(2)
Central de 1000 kW com PAFC
Reformulador a partir de gás g s natural e
Módulo de 1kW de PEFC
Pilha de combustível PAFC (ácido(
fosfórico)
Vista em corte de uma central de 1000 kW Módulo tubular de 1 kW para SOFC
Pilha de combustível MCFC (carbonato fundido)
Pilha de combustível SOFC (óxido(
sólido) s

Funcionamento das Pilhas de Combustível
(fonte: a partir da página internet da AMERLIS: http://www.terravista.pt/AguaAlto/2295/ )

Funcionamento da PEFC
Rendimento da PEFC

Componentes auxiliares para o
funcionamento das PC
Estes componentes asseguram a:
• alimentação permanente de ar e de hidrogénio;
• remoção do calor produzido pela PC
Estes componentes são:
• Compressor ou ventilador para
fornecer ar ao cátodoc
todo;
• Reformador,
caso o combustível
utilizado seja um hidrocarboneto;
• Circuito de refrigeração
ão;
• Separador para remoção
de água
contida nos gases saídos
do cátodo;
;
• Bomba para recirculação
dos gases
rejeitados pelo ânodo;
• Controlador do sistema;
• Sistema
de
combustível
vel.
alimentação
de

Aplicações de PC nos transportes
• Uma célula c
de uma pilha de combustível apresenta uma
diferença a de potencial de 0,7V e pode fornecer 350W (dimensão de
um tapete de rato de computador e 0,5 a 0,7 cm de espessura)
• Para permitir que um veículo tenha os valores adequados de
aceleração e de velocidade de ponta, é necessário uma potência
de pico da ordem dos 50-70kW.
• Isto implica que 150-200 células c
sejam
empilhadas em conjunto.
• Estas pilhas têm que ser muito compactas
não podendo ultrapassar um volume de
50 litros, para a sua aplicação em
automóveis.

Pilhas de Combustível na propulsão automóvel
Todos os principais fabricantes automóveis investiram em protótipos
tipos
de veículos com PC. Alguns exemplos conhecidos:

TOYOTA RAV 4
Pilha de Combustível

Dois outros exemplos de referência
NECAR - New Electric CAR
DaimlerChrysler
Autocarros com PC
2ª geração Chicago
Necar 3 - metanol como combustível
(Setembro 1997) 400Km de
autonomia com 38 litros de
combustível (metanol)
Necar 4 - hidrogénio como
combustível; 145Km/h;
450Km de autonomia

Evolução dos veículos com PC
da Daimler Chrysler

NECAR 4

A 1ª 1 aplicação comercial
(conhecida)
Unidade auxiliar de energia
Volume de uma bateria convencional de ácido-chumbo, chumbo, apresentando
maior durabilidade e desempenho

Considerações sobre produção e utilização
sustentável de energia
Energia de “elevada qualidade” e “elevada concentração
ão” com uma elevada mais-valia
Energia química (petróleo, gás g s natural, carvão)
Energia potencial (barragem)
Energia Eléctrica

Considerações sobre produção e utilização
sustentável de energia (2)
Energia “dispersa” de baixa densidade e difícil de utilizar
Energia da luz (solar)
Energia do vento
Energia da biomassa
Água quente / Desperdício
de água quente e de calor
Restantes formas de
energia renováveis
veis
disponíveis na
natureza
Nesta perspectiva, não esquecer que
cada kWh poupado vale tanto (ou
mais) como cada kWh produzido por
uma fonte de energia renovável
vel

Considerações sobre produção e utilização
sustentável de energia (3)
Uma estratégia de conservação de energia passa por:
• conservar a energia de “elevada qualidade” o mais possível
• utilizar apropriadamente a energia diluída da e difícil de utilizar,
as energias renováveis
veis
O verdadeiro interesse das Pilhas de Combustível surge
enquadrado nesta estratégia de produção e de utilização
sustentável de energia

Aplicações previstas para as Pilhas de Combustível
Sistema urbano de geração eléctrica com fornecimento de calor
Sistema industrial de co-gera
geração
Sistema urbano e descentralizado de geração eléctrica
Sistema de PC para veículos, etc.
Sistema de geração eléctrica a partir de carvão gaseificado
Sistema de geração eléctrica
utilizando desperdícios agrícolas
Sistema de geração eléctrica
transportável para estaleiros
Sistema de geração a partir de biogás
Sistema de co-gera
geração residencial
(electricidade e água quente)

Características das Pilhas de Combustível
• As Pilhas de Combustível vão passar a fazer parte do nosso dia-a-dia
As grandes vantagens da PC são:
• Adaptação para uma instalação e utilização nas cidades, devido ao
ruído e vibração reduzidos e nível n
desprezável de emissões de NOx e
fuligem ;
• Elevado rendimento de geração de energia eléctrica (mesmo em
pequenas unidades) e rendimento global também m elevado (pode atingir
80% se incluirmos o aproveitamento do calor libertado); para mais s nas
MSFC e SOFC pode ser obtido vapor de elevada temperatura (energia
de elevada mais-valia).
A grande desvantagem actual é o seu preço.
Enquadrando as aplicações nos transportes com o mercado das
aplicações estacionárias poderá fazer surgir a grande oportunidade de
uma introdução em larga escala, permitindo reduzir os custos de
produção.

Transição para uma produção e utilização
sustentável da energia
Fonte: Christian Beckervordersandforth,
“The
Role of Natural Gas in
Sustainable Energy Management –
Brinding the Gap to Hydrogen” em
“On the Energies-of
of-Change
– The
Hydrogen Solution”, , editado por Carl-
Jochen Winter, Gerling Akademie
Verlag, , 2000, ISBN 3-9324253
932425-31-6
• Nos últimos 150 anos, viveu-se uma transição dos combustíveis com
alto teor de carbono para os de baixo teor de carbono
• Nos próximos 150 anos, viver-se
se-á a continuação desse esforço o rumo à
era do hidrogénio, em que o gás g s natural poderá assegurar a ponte entre
estas duas realidades.

Transição para uma produção e utilização
sustentável sustentável da energia (2)
• As alterações na cadeia de utilização dos combustíveis
é sempre lenta (várias
gerações), o que impõe que novas infra-estruturas para estarem no seu lugar daqui
a 30-50 anos tem de ser consideradas e iniciadas hoje.
• O hidrogénio surge como a “solução” para uma sociedade sustentável de médio m
prazo mas não corresponde a uma fonte de energia primária; ria; de momento, surge
sempre como um “produto manufacturado” cuja produção tem um determinado
impacto ambiental.
• O gás g s natural é a solução que parece mais óbvia (no curto prazo) para a produção
de hidrogénio.
• A electrólise lise da água
é uma outra solução de interesse para a produção do
hidrogénio. Diversos países posicionam-se se na perspectiva de virem a produzir
hidrogénio, para ser utilizado como combustível para as pilhas de combustível,
através s da electrólise lise da água e utilizando energia eléctrica produzida a partir de
fontes de renováveis veis de energia.

Transição para uma produção e utilização
sustentável sustentável da energia (3)
• Deste modo, será possível produzir o hidrogénio a partir da electrólise lise da água, em
locais onde seja possível produzir a electricidade necessária a partir de de uma fonte
renovável vel de energia (impacto ambiental reduzido e níveis n
nulos de emissões gasosas).
• O hidrogénio, depois de transportado do seu local de produção para o local final de
utilização,
é utilizado como combustível das pilhas de combustível na produção de
electricidade (nível de emissões nulas).
A energia eléctrica
é a única
forma de energia cuja utilização
é
verdadeiramente limpa.
As pilhas de combustível poderão
ser o elo que falta para a
viabilização da produção de
electricidade a partir das energias
renováveis.
veis.

Veículos Eléctricos Rodoviários e Energias Renováveis
veis
• O hidrogénio
é o combustível para as pilhas de combustível;
• A utilização das pilhas de combustível viabiliza veículos eléctricos com o desempenho e
a autonomia desejada
• Veículos eléctricos sem limitações de desempenho e de autonomia podem contribuir
para a redução do impacto ambiental do sector dos transportes.
Utopia?
ou
Perspectiva de
médio/longo prazo?