Aula09-FuelCells

8/3/2019 Aula09-FuelCells

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Rui Neves da Silva

Controlo e Decisão na Energia

Sistemas de células de combustível - 1.1

Aula 9: Sistemas de Células de Combustível

Objectivos:

• Introduzir os sistemas de produção de energia eléctricadirecta a partir de combustíveis hidrogenados;

• Descrever os sistemas auxiliares necessários aofuncionamento das células de combustível;

Rui Neves da SilvaControlo e Decisão na Energia


O Hidrogénio

• O Hidrogénio é um gás sem cor nem odor;

• Embora seja o elemento mais abundante do universo não existe“solitário” na Terra (apenas 1 ppm na atmosfera), ou seja, não éum recurso primário;

• Combinado com o Oxigénio forma a água;• Combinado com o Carbono forma hidrocarbonetos:

ü Metano

ü Carvão

ü Petróleo

• Pode ser encontrado ainda em toda a biomassa.



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O Hidrogénio como fonte de energia intermédia

• O Hidrogénio pode ser o combustível do futuro mas para isso é

preciso preparar 3 etapas tecnológicas:

PRODUZIR TRANSPORTAR USAR

• É necessário um investimento enorme para encontrar soluçõestecnológicas eficientes e económicas.



O Hidrogénio a partir de fontes renováveis

Solar térmica Hidro Eólica Fotovoltaica Biomassa

Pirólise eTermólise Fotoelectrólise Gaseificação

ENERGIA SOLAR

HIDROGÉNIO

Energia mecânica

Electricidade

Electrolise



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Densidade de energia de diferentes combustíveis

Energia mássica Energia volumétrica

kWh/kg kWh/dm3

Gás (20MPa) 33.30 0.53Gás (30MPa) 33.30 0.75Líquido (-253ºC) 33.30 2.36

Gás (20MPa) 13.90 2.58Gás (30MPa) 13.90 3.38

Líquido (-162ºC) 13.90 5.80GPL Líquido 12.90 7.50

Metanol Líquido 5.60 4.42Gasolina Líquido 12.70 8.76Gasóleo Líquido 11.60 9.70

Electricidade Bateria de chumbo 0.03 0.09

Hidrogénio

Gás Natural

ArmazenamentoPortador de energia

O Hidrogénio é um combustível leve mas volumoso. No entanto, sendo umcombustível de utilização mais eficiente, na prática, a relação de volumes entre oHidrogénio e os combustíveis convencionais não é tão desfavorável.



Princípios tecnológicos da célula de combustível (FC)

• O grande impulsionador da tecnologia das células de combustível (FC-fuelcells) foi a indústria aeroespacial norte-americana embora a descoberta dascélulas de combustível tenha sido realizada em 1839 (Sir William Grove).

• A operação das FC realiza-se através de um processo electroquímico queconverte energia química (de uma substância hidrogenada) em energia eléctrica.Este dispositivo não acumula energia mas realiza a reacção inversa daelectrólise da água: alimentado por um combustível e um oxidante produzelectricidade em modo contínuo com emissões poluentes muito reduzidas.



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Constituição de uma célula de combustível

Ânodo Electrólito Cátodo c a

t a l i s a d o r

c a

t a l i s a d o r

A estrutura de uma FC consiste num electrólito em contacto com

um ânodo e um cátodo poroso.

Existem diversos tipos de FC que dependem do electrólito e datemperatura de funcionamento.



Princípio de funcionamento de uma FC

Ânodo Electrólito Cátodo c a t a l i s a d o r

c a t a l i s a d o r

OXIGÉNIOHIDROGÉNIO

H2 O

H2 O



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(cont.)



O

O

H2

H2

H+

H+

e-e-

H+

H+

e-e-



(cont.)



O

O

H+

H+

e-e-

H+

H+

e-e-

H+

H+

H+

H+

e -e -e -e-



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(cont.)

Ânodo Electrólito Cátodo c a t a l i s a

d o r

c a t a l i s a

d o r

O

O

H+

H+

H+

H+

e -e -e -e-

H2O

H2O

ÁGUA

CALOR



Característica tensão-corrente de uma FC

FEM teórica

1.0

0.5

Tensão[V]

Densidade de corrente [mA/cm2]

Região de polarização Ohmica(perdas resistivas)

Região de polarização de activação

(perdas na taxa de reacção)

FEM real

Região d e polarização de concentração(perdas de transporte dos gases)



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Aumento da densidade de potência

Corrente

Oxigénio

Hidrogénio

Módulo FC da Ballard - Mark 902



Vantagens das FC

As principais vantagens das FC são:

• Eficiência energética entre 40 e 50% em eficiência eléctrica e80% em instalações de cogeração;

• Impacte ambiental reduzido devido à emissão quase nula deóxidos de azoto (NOx) e dióxido de carbono (dependente docombustível utilizado);

• Elevada flexibilidade na combinação com fontes de energiarenováveis ultrapassando as limitações específicas desses sistemas;

• Carácter modular priveligiando a produção descentralizada;

• Simplicidade tecnológica na operação (fiabilidade).



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Desvantagens das FC (conhecidas!)

• Limitações no tempo de vida útil (pouca informação existente!);

• Perda de eficiência eléctrica com o tempo;

• Elevados custos de investimento;

• Baixo nível de desenvolvimento;

• Baixa capacidade de demonstração da tecnologia;

• Poucos fornecedores de tecnologia.



Tecnologias de FC disponíveis

As FC dividem-se em 6 tipos básicos de acordo com asrespectivas tecnologias:

• PEMFC – Proton Exchange Membrane FC ouPolymer Electrolyte Membrane FC ;

• AFC – Alkaline Fuel Cell

• SOFC – Solid Oxide Fuel Cell

• MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell

• PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell

• DMFC – Direct Methanol Fuel Cell



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Reacções anódicas e catódicas nas FC

Transporte do ião

AFC H2 + 2(OH-) 2(H20) + 2 e- OH- O2 + 2(H2O) + 4 e- 4(OH)-

PEMFCH2 2(H+) + 2 e- H+ O2 + 4(H+) + 4 e- 2(H2O)

PAFCH2 2(H+) + 2 e- H+ O2 + 4(H+) + 4 e- 2(H2O)

H2 + (CO3)2- H2O + CO2 + 2 e-

CO + (CO3)2- 2(CO2) + 2 e-

H2+O2- H2O + 2 e-

CO+O2- CO2 + 2 e- O2- O2 + 4 e- 2O2-

CH4+4O2- 2(H2O) + CO2 + 8 e-

SOFC

Reacção anódica (oxidação do combustível) Reacção catódica (redução do oxidante)

(CO3)2-MCFC O2 + 2(CO2) + 4 e- (CO3)2-

CH4 - Metanol



Características das tecnologias das FC

FCPotência

[kWe]

Eficiência

Eléctrica

Eficiência

TérmicaCombustível

Temperatura de

operação [ºC]Electrólito

AFC 1-150 30-45% - H2 80-100Hidróxido de

Potássio0,2-10 30-40% 25-49%10-100 33-40% 27-49%

DMFC < 0,01 40-50% - Metanol 60-100Membrana

poliméricaPAFC 50-1200 35-40% - H2 ou GN 190-220 Ácido fosfórico

MCFC >100 45-55% 33-37% H2, GN ou HC 600-650Carbonatos de

Lítio ou Potássio1-20 35-45% 31-64%

20-100>100

SOFC

PEMFC

45-55% 25-49%

H2 ou GN

H2, GN ou HC

60-80 Membranapolimérica

800-1000Óxidos de Zircónioestabilizados com

Itria

GN – gás natural; HC - Hidrocarbonetos



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Aplicações das FC

< 150 W 1-10 kW 100 kW - 1MW

DMFC PEMFC SOFCPEMFC AFC MCFCPAFC

Motorola Nuvera IFC/OSIGES Ballard/Alstom Siemens Westinghouse

Hidrocell PlugPower Fuell Cell EnergyWarsitz NewCo

Proton Energy Syst. ApolloH. Power

Telemóveis Residencial/UPS Produção distribuída;Computadores Automóvel Sistemas de Cogeração;

Comunicações militares Tracção Industrial/Comercial;Iluminação de emergência Comunicações Residencial

Tecnologias

Aplicações

Empresas



Sistemas auxiliares para operação das FC

O funcionamento de uma FC requer a alimentação contínua de ar e hidrogéniofornecidos pelos sistemas auxilares:

• Compressor ou ventilador para fornecer ar ao cátodo;

• Reformador, caso se utilize um hidrocarboneto como combustível;

• Circuito de refrigeração;• Separador para remoção da água contida nos gases que saem do cátodo;

• Bomba para recirculação dos gases rejeitados pelo ânodo;

• Controlador do sistema;

• Sistema de alimentação de combustível

O sistema de armazenagem pode ser um cilindro que contenha hidrogéniocomprimido (associado a um controlador de pressão ou um depósito dehidrogénio liquefeito) mantido a cerca de –250ºC.



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Qual a necessidade de controlo na operação de uma FC

• Existem diversas variáveis físicas que devem ser reguladas de

modo a maximizar a eficiência da FC e garantir as condições desegurança:

ü Tensão e corrente nos diversos módulos FC das pilhas;

ü Temperatura do electrólito;

ü Pressão do hidrogénio;

ü Caudal de ar (oxigénio);

ü Nível de CO2;

• Os objectivos de controlo dependem do tipo de células.



Exemplo 1: Controlo de uma célula de combustível alcalina (AFC)



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Exemplo 1: Sistema de Controlo com PLC e módulo E/S analógicas

• Mais o procedimento habitual: construir o modelo e projectar as leis de controlo!



Exemplo 2: Sistemas de cogeração



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Exemplo 2: Sistemas de cogeração

A mistura de H2-H2O entra no ânodo (7) e o oxigénio puro entra no cátodo(O4) da unidade SOFC. No ponto (8), devido à oxidação, o conteúdo de H2 na

mistura é reduzido. Pela mesma razão, o caudal de oxigénio reduz-se no ponto(O5). A mistura quente (8), acciona uma turbina a gás que produz energiaeléctrica adicional. A turbina a gás é preferível face à turbina a vapor porque atemperatura dos gases à entrada da turbina ultrapassam os limites deresistência de uma turbina a vapor normal. O vapor na mistura à saída daturbina apresenta-se 100% seco de modo a evitar a cavitação das pás daturbina.

São realizadas extracções (9, 10, 11) na turbina para fornecer fluido quenteaos aquecedores de água (WH), de mistura de água e Hidrogénio (MH) e deOxigénio (OH). O estado do fluido no ponto (W7) é o de vapor saturado. O

fluidos de aquecimento e a saída da turbina alimentam um condensador ondese dá a separação entre a água e o Hidrogénio. Parte de esta água é reinjectadano sistema não sendo necessário fornecer água adicional.



Aplicações: Estações de energia estacionárias

O gerador estacionário de 250 kW da Ballard produz energiasuficiente para um pequeno complexo de apartamentos (~ 50famílias) ou um edifício comercial. Este equipamento usa células decombustível PEM alimentadas a gás natural.

Esta unidade encontra-seinstalada em Berlim(Bewag AG's Treptow)desde 2000 num programade demonstração e teste.



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Aplicações nos transportes:Toyota-Hino

Apresentação 2002Parceiros HinoVeículo Hino HU2PMEE Blue Ribbon City BusEstado DemonstraçãoCapacidade 60 passageiros

PEM FC 180kW; NiMH Acum.Motor 80 kW; recuperação na travagem

Combustível HidrogénioArmazenamento Hidrogénio comprimido a 35 MPaAutonomia 350 km

Conceito propulsor



Aplicações nos transportes: GM-Opel

Apresentação 2002Parceiros GM/OpelVeículo Opel ZafiraEstado ProtótipoCapacidade 5 passageirosPeso 1590 kg

GM FC 94 kW (129 kW pico);motor 60 kW 215 Nm

Combustível HidrogénioArmazenamento Hidrogénio comprimido 77 l a 70 MPaAutonomia 270 kmVelocidade máxima 160 km/h

Conceito propulsor



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Aplicações nos transportes: HONDA

Apresentação 2002Parceiros BallardVeículo Honda EV PlusEstado disponível comercialmenteCapacidade 5Peso 1620 k

Híbrido FC; 78 kW Ballard Mark 901amotor: 60 kW, 272 Nm, ultra-condensador

Combustível Hidro énioArmazenamento Hidrogénio comprimido 157 l a 35 MPaAutonomia 355 kmVelocidade máxima 150 km/h

Conceito propulsor



Aplicações nos transportes: Daimler-Chrysler

Apresentação 2002Parceiros DaimlerChryslerVeículo Classe A (versão longa)Estado Pequenas séries (~30-60 veic.)Capacidade 5 passageirosPeso 1589 kg

Ballard FC 85 kW Mark 902Motor 65 kW, 210 Nm

Combustível Hidrogénio

Armazenamento Hidrogénio comprimido a 35 MPaAutonomia 150 kmVelocidade máxima 145 kmh

Conceito propulsor



Rui Neves da Silva



Resumo da aula: Sistemas de células de combustível

• Introduziram-se os sistemas de produção de energiaeléctrica directa a partir de combustíveis hidrogenados;

• Descreveram-se os sistemas auxiliares necessários aofuncionamento das células de combustível;

Próxima aula:

Controlo em Edifícios: Iluminação e Climatização.

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