Célula de combustível de metanol direto - Direct methanol fuel cell

Célula de combustível de metanol direto

As células a combustível de metanol direto ou DMFCs são uma subcategoria de células a combustível de troca de prótons nas quais o metanol é usado como combustível. Sua principal vantagem é a facilidade de transporte do metanol, um líquido com alta densidade de energia, porém razoavelmente estável em todas as condições ambientais.

Enquanto a eficiência teórica termodinâmica de conversão de energia de um DMFC é de 97%; a eficiência de conversão de energia atualmente alcançável para células operacionais atinge 30% - 40%. Há pesquisas intensivas sobre abordagens promissoras para aumentar a eficiência operacional.

Uma versão mais eficiente de uma célula de combustível direta teria um papel fundamental no uso teórico do metanol como meio geral de transporte de energia, na hipótese de economia de metanol .

A célula

Em contraste com as células de combustível de metanol indireto , onde o metanol reage ao hidrogênio por reforma a vapor, os DMFCs usam uma solução de metanol (geralmente em torno de 1 M , ou seja, cerca de 3% em massa) para transportar o reagente para a célula; as temperaturas de operação comuns estão na faixa de 50–120 ° C, onde altas temperaturas geralmente são pressurizadas. Os próprios DMFCs são mais eficientes em altas temperaturas e pressões, mas essas condições acabam causando tantas perdas no sistema completo que a vantagem é perdida; portanto, as configurações de pressão atmosférica são atualmente preferidas.

Por causa do metanol cruzado, um fenômeno pelo qual o metanol se difunde através da membrana sem reagir, o metanol é alimentado como uma solução fraca: isso diminui a eficiência significativamente, pois o metanol cruzado, após atingir o lado do ar (o cátodo), imediatamente reage com o ar; embora a cinética exata seja debatida, o resultado final é uma redução da voltagem da célula. O cross-over continua sendo um fator importante nas ineficiências e, freqüentemente, metade do metanol é perdido no cross-over. O cruzamento de metanol e / ou seus efeitos podem ser aliviados (a) desenvolvendo membranas alternativas (por exemplo), (b) melhorando o processo de eletro-oxidação na camada de catalisador e melhorando a estrutura do catalisador e das camadas de difusão de gás (por exemplo) , e (c) otimizar o projeto do campo de fluxo e do conjunto de eletrodo de membrana (MEA), que pode ser alcançado estudando as distribuições de densidade de corrente (por exemplo).

Outros problemas incluem o gerenciamento do dióxido de carbono criado no ânodo , o comportamento dinâmico lento e a capacidade de manter a solução de água.

Os únicos resíduos com esses tipos de células a combustível são o dióxido de carbono e a água.

Aplicativo

Os DMFCs atuais são limitados na potência que podem produzir, mas ainda podem armazenar um alto conteúdo de energia em um espaço pequeno. Isso significa que eles podem produzir uma pequena quantidade de energia por um longo período de tempo. Isso os torna inadequados para alimentar veículos grandes (pelo menos diretamente), mas ideais para veículos menores, como empilhadeiras e rebocadores, e bens de consumo como telefones celulares , câmeras digitais ou laptops . As aplicações militares de DMFCs são uma aplicação emergente, uma vez que possuem baixo ruído e assinaturas térmicas e nenhum efluente tóxico. Essas aplicações incluem energia para equipamento tático portátil, carregadores de bateria e energia autônoma para instrumentação de teste e treinamento. As unidades estão disponíveis com saídas de energia entre 25 watts e 5 quilowatts com durações de até 100 horas entre os reabastecimentos. Especialmente para potência de saída de até 0,3 kW, o DMFC é adequado. Para uma potência de saída de mais de 0,3 kW, a célula a combustível de metanol indireto apresenta uma maior eficiência e é mais econômica. O congelamento da mistura de metanol-água líquida na pilha em temperatura ambiente baixa pode ser problemático para a membrana de DMFC (em contraste com a célula de combustível de metanol indireta).

Metanol

O metanol é um líquido de -97,6 ° C a 64,7 ° C à pressão atmosférica. A densidade de energia volumétrica do metanol é uma ordem de magnitude maior até do que o hidrogênio altamente comprimido , cerca de duas vezes maior do que o hidrogênio líquido e 2,6 vezes maior do que as baterias de íon de lítio . A densidade de energia por massa é um décimo do que a do hidrogênio, mas 10 vezes maior do que a das baterias de íon de lítio.

O metanol é ligeiramente tóxico e altamente inflamável . No entanto, o Painel de Mercadorias Perigosas (DGP) da Organização de Aviação Civil Internacional (ICAO) votou em novembro de 2005 para permitir que os passageiros carreguem e usem microcélulas de combustível e cartuchos de metanol quando a bordo de aviões para alimentar laptops e outros dispositivos eletrônicos de consumo. Em 24 de setembro de 2007, o Departamento de Transporte dos Estados Unidos emitiu uma proposta para permitir que os passageiros das companhias aéreas carreguem cartuchos de células de combustível a bordo. O Departamento de Transporte emitiu uma decisão final em 30 de abril de 2008, permitindo que passageiros e tripulantes carreguem uma célula de combustível aprovada com um cartucho de metanol instalado e até dois cartuchos sobressalentes adicionais. É importante notar que o volume máximo de cartucho de metanol de 200 ml permitido na decisão final é o dobro do limite de 100 ml para líquidos permitido pela Administração de Segurança de Transporte em malas de mão.

Reação

O DMFC depende da oxidação do metanol em uma camada de catalisador para formar dióxido de carbono . A água é consumida no ânodo e produzida no cátodo . Os prótons (H ⁺ ) são transportados através da membrana de troca de prótons - geralmente feita de Nafion - para o cátodo, onde reagem com o oxigênio para produzir água. Os elétrons são transportados através de um circuito externo do ânodo para o cátodo, fornecendo energia aos dispositivos conectados.

As semi-reações são:

	Equação
Ânodo	${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {3} OH + H_ {2} O \ a 6 \ H ^ {+} + 6 \ e ^ {-} + CO_ {2}}}$ oxidação
Cátodo	${\ displaystyle \ mathrm {{\ frac {3} {2}} O_ {2} +6 \ H ^ {+} + 6 \ e ^ {-} \ a 3 \ H_ {2} O}}$ redução
Reação geral	${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {3} OH + {\ frac {3} {2}} O_ {2} \ a 2 \ H_ {2} O + CO_ {2}}}$ reacção redox

Metanol e água são adsorvidos em um catalisador geralmente feito de partículas de platina e rutênio e perdem prótons até que o dióxido de carbono seja formado. Como a água é consumida no ânodo na reação, o metanol puro não pode ser usado sem o fornecimento de água por meio de transporte passivo, como retrodifusão ( osmose ), ou transporte ativo , como bombeamento. A necessidade de água limita a densidade de energia do combustível.

A platina é usada como um catalisador para ambas as semi-reações. Isso contribui para a perda de potencial de voltagem da célula, pois qualquer metanol presente na câmara catódica se oxidará. Se outro catalisador pudesse ser encontrado para a redução do oxigênio, o problema do cruzamento do metanol provavelmente seria significativamente reduzido. Além disso, a platina é muito cara e contribui para o alto custo por quilowatt dessas células.

Durante a reação de oxidação do metanol, forma-se monóxido de carbono (CO), que se adsorve fortemente no catalisador de platina, reduzindo o número de locais de reação disponíveis e, portanto, o desempenho da célula. A adição de outros metais, como rutênio ou ouro , ao catalisador de platina tende a amenizar esse problema. No caso dos catalisadores de platina-rutênio, acredita-se que a natureza oxofílica do rutênio promove a formação de radicais hidroxila em sua superfície, que podem então reagir com o monóxido de carbono adsorvido nos átomos de platina. A água na célula a combustível é oxidada a um radical hidroxi por meio da seguinte reação: H ₂ O → OH • + H ⁺ + e ^- . O radical hidroxila então oxida o monóxido de carbono para produzir dióxido de carbono , que é liberado da superfície como um gás: CO + OH • → CO ₂ + H ⁺ + e ^- .

Usando esses grupos OH nas semi-reações, eles também são expressos como:

	Equação
Ânodo	${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {3} OH + 6 \ OH ^ {-} \ a 5 \ H_ {2} O + 6 \ e ^ {-} + CO_ {2}}}$ oxidação
Cátodo	${\ displaystyle \ mathrm {{\ frac {3} {2}} O_ {2} +3 \ H_ {2} O + 6 \ e ^ {-} \ a 6 \ OH ^ {-}}}$ redução
Reação geral	${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {3} OH + {\ frac {3} {2}} O_ {2} \ a 2 \ H_ {2} O + CO_ {2}}}$ reacção redox

Corrente cruzada

O metanol no lado anódico geralmente está em uma solução fraca (de 1M a 3M), porque o metanol em altas concentrações tem a tendência de se difundir através da membrana para o cátodo, onde sua concentração é cerca de zero porque é rapidamente consumido pelo oxigênio. Baixas concentrações ajudam a reduzir o cross-over, mas também limitam a corrente máxima atingível.

A realização prática geralmente é que um loop de solução entra no ânodo, sai, é recarregado com metanol e retorna ao ânodo novamente. Alternativamente, as células a combustível com estruturas otimizadas podem ser alimentadas diretamente com soluções de metanol de alta concentração ou mesmo metanol puro.

Arrasto de água

A água no ciclo anódico é perdida por causa da reação anódica, mas principalmente por causa da resistência da água associada: cada próton formado no ânodo arrasta várias moléculas de água para o cátodo. Dependendo da temperatura e do tipo de membrana, este número pode estar entre 2 e 6.

Unidades auxiliares

Uma célula de combustível de metanol direto geralmente faz parte de um sistema maior, incluindo todas as unidades auxiliares que permitem sua operação. Em comparação com a maioria dos outros tipos de células de combustível, o sistema auxiliar de DMFCs é relativamente complexo. As principais razões para sua complexidade são:

fornecer água junto com metanol tornaria o suprimento de combustível mais incômodo, então a água tem que ser reciclada em um loop;
O CO ₂ deve ser removido do fluxo de solução que sai da célula de combustível;
a água no circuito anódico é lentamente consumida pela reação e arrasto; é necessário recuperar a água do lado catódico para manter a operação estável.

Veja também

Referências

Leitura adicional

Merhoff, Henry e Helbig, Peter. Desenvolvimento e colocação em campo de uma célula a combustível de metanol direto; ITEA Journal , março de 2010

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