Célula de combustível alcalina - Alkaline fuel cell
A célula de combustível alcalina (AFC), também conhecida como célula de combustível Bacon em homenagem a seu inventor britânico, Francis Thomas Bacon , é uma das tecnologias de célula de combustível mais desenvolvidas . As células a combustível alcalinas consomem hidrogênio e oxigênio puro para produzir água potável, calor e eletricidade. Estão entre as células a combustível mais eficientes, com potencial para chegar a 70%.
A NASA usa células de combustível alcalino desde meados da década de 1960, nas missões da série Apollo e no ônibus espacial .
Química
A célula de combustível produz energia por meio de uma reação redox entre hidrogênio e oxigênio. No ânodo , o hidrogênio é oxidado de acordo com a reação:
produzindo água e liberando elétrons. Os elétrons fluem por um circuito externo e retornam ao cátodo , reduzindo o oxigênio na reação:
produzindo íons de hidróxido . A reação líquida consome uma molécula de oxigênio e duas moléculas de hidrogênio na produção de duas moléculas de água. Eletricidade e calor são formados como subprodutos dessa reação.
Eletrólito
Os dois eletrodos são separados por uma matriz porosa saturada com uma solução aquosa alcalina, como o hidróxido de potássio (KOH). As soluções aquosas alcalinas não rejeitam o dióxido de carbono (CO 2 ), de modo que a célula a combustível pode ser "envenenada" pela conversão de KOH em carbonato de potássio (K 2 CO 3 ). Por causa disso, as células de combustível alcalinas normalmente operam com oxigênio puro, ou pelo menos ar purificado e incorporariam um 'purificador' no projeto para limpar o máximo possível de dióxido de carbono. Como os requisitos de geração e armazenamento de oxigênio tornam os AFCs de oxigênio puro caros, existem poucas empresas envolvidas no desenvolvimento ativo da tecnologia. Há, no entanto, algum debate na comunidade de pesquisa sobre se o envenenamento é permanente ou reversível. Os principais mecanismos de intoxicação são o bloqueio dos poros do cátodo com K 2 CO 3 , que não é reversível, e a redução da condutividade iônica do eletrólito, que pode ser reversível retornando o KOH à sua concentração original. Um método alternativo envolve simplesmente substituir o KOH, que retorna a célula de volta à sua saída original.
Quando o dióxido de carbono reage com o eletrólito, carbonatos são formados. Os carbonatos podem precipitar nos poros dos eletrodos que eventualmente os bloqueiam. Foi descoberto que os AFCs operando em temperaturas mais altas não mostram uma redução no desempenho, enquanto em torno da temperatura ambiente, uma queda significativa no desempenho foi mostrada. Acredita-se que o envenenamento por carbonato à temperatura ambiente seja o resultado da baixa solubilidade do K 2 CO 3 em torno da temperatura ambiente, o que leva à precipitação de K 2 CO 3 que bloqueia os poros do eletrodo. Além disso, esses precipitantes diminuem gradualmente a hidrofobicidade da camada de suporte do eletrodo, levando à degradação estrutural e inundação do eletrodo.
Por outro lado, os íons de hidróxido de transporte de carga no eletrólito podem reagir com dióxido de carbono da oxidação de combustível orgânico (isto é, metanol, ácido fórmico) ou ar para formar espécies de carbonato.
A formação de carbonato esgota os íons hidróxido do eletrólito, o que reduz a condutividade do eletrólito e, consequentemente, o desempenho da célula. Além desses efeitos em massa, o efeito no gerenciamento da água devido a uma mudança na pressão de vapor e / ou uma mudança no volume do eletrólito também pode ser prejudicial.
Projetos básicos
Por causa desse efeito de envenenamento, existem duas variantes principais de AFCs: eletrólito estático e eletrólito de fluxo. Células eletrolíticas estáticas ou imobilizadas do tipo usado na espaçonave Apollo e no ônibus espacial normalmente usam um separador de amianto saturado em hidróxido de potássio. A produção de água é controlada pela evaporação do ânodo, conforme foto acima, que produz água pura que pode ser aproveitada para outros usos. Essas células de combustível normalmente usam catalisadores de platina para atingir eficiências volumétricas e específicas máximas.
Projetos de eletrólito de fluxo usam uma matriz mais aberta que permite que o eletrólito flua entre os eletrodos (paralelo aos eletrodos) ou através dos eletrodos em uma direção transversal (o tipo ASK ou célula de combustível EloFlux). Em projetos de eletrólito de fluxo paralelo, a água produzida é retida no eletrólito e o eletrólito antigo pode ser trocado por novo, de maneira análoga à troca de óleo em um carro. É necessário mais espaço entre os eletrodos para permitir esse fluxo, e isso se traduz em um aumento na resistência da célula, diminuindo a produção de energia em comparação com projetos de eletrólitos imobilizados. Um outro desafio para a tecnologia é quão grave é o problema de bloqueio permanente do cátodo por K 2 CO 3 ; alguns relatórios publicados indicam milhares de horas de operação no ar. Esses projetos usaram catalisadores de platina e de metal não nobre, resultando em maior eficiência e aumento de custo.
O design do EloFlux, com seu fluxo transversal de eletrólito, tem a vantagem de construção de baixo custo e eletrólito substituível, mas até agora só foi demonstrado usando oxigênio.
Os eletrodos consistem em uma estrutura de camada dupla: uma camada de eletrocatalisador ativo e uma camada hidrofóbica. A camada ativa consiste em uma mistura orgânica que é moída e então enrolada à temperatura ambiente para formar uma folha reticulada autossustentada. A estrutura hidrofóbica evita que o eletrólito vaze para os canais de fluxo do gás reagente e garante a difusão dos gases para o local da reação. As duas camadas são então pressionadas sobre uma malha metálica condutora e a sinterização completa o processo.
Outras variações na célula de combustível alcalina incluem a célula de combustível de hidreto de metal e a célula de combustível de boro-hidreto direto .
Vantagens sobre células de combustível ácidas
As células a combustível alcalinas operam entre a temperatura ambiente e 90 ° C com uma eficiência elétrica maior do que as células a combustível com eletrólito ácido, como células a combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC), células a combustível de óxido sólido e células a combustível de ácido fosfórico . Por causa da química alcalina, a cinética da reação de redução de oxigênio (ORR) no cátodo é muito mais fácil do que em células ácidas, permitindo o uso de metais não nobres , como ferro , cobalto ou níquel , no ânodo (onde o combustível é oxidado ); e catalisadores mais baratos, como prata ou ftalocianinas de ferro no cátodo, devido aos baixos sobrepotenciais associados a reações eletroquímicas em pH alto .
Um meio alcalino também acelera a oxidação de combustíveis como o metanol, tornando-os mais atraentes. Menos resultados de poluição em comparação com células de combustível ácidas.
Perspectivas comerciais
Os AFCs são as células de combustível mais baratas de se fabricar. O catalisador necessário para os eletrodos pode ser qualquer um de vários produtos químicos diferentes que são baratos em comparação com os necessários para outros tipos de células de combustível.
As perspectivas comerciais para AFCs residem em grande parte na versão de placa bipolar desenvolvida recentemente dessa tecnologia, consideravelmente superior em desempenho às versões anteriores de placa única.
O primeiro navio de célula de combustível do mundo, o Hydra , usava um sistema AFC com potência líquida de 5 kW.
Outro desenvolvimento recente é a célula de combustível alcalina de estado sólido, utilizando uma membrana de troca aniônica sólida em vez de um eletrólito líquido. Isso resolve o problema de envenenamento e permite o desenvolvimento de células de combustível alcalinas capazes de funcionar em veículos ricos em hidrogênio mais seguros, como soluções líquidas de ureia ou complexos de metal amina.
Veja também
- Eletrodo de difusão de gás
- Glossário de termos de célula de combustível
- Hidrazina
- Tecnologias de hidrogênio
Referências
- ^ Editorial da Reuters (14 de setembro de 2007). "Célula de combustível sem platina desenvolvida no Japão" . Reuters . Retirado em 26 de fevereiro de 2016 .
links externos
Desenvolvedores