Células de combustível
Uma célula de combustível utiliza a energia química do hidrogénio ou outro combustível para produzir electricidade de forma limpa e eficiente. Se o hidrogénio é o combustível, a electricidade, a água, e o calor são os únicos produtos. As células de combustível são únicas em termos da variedade das suas potenciais aplicações; podem fornecer energia para sistemas tão grandes como uma central eléctrica e tão pequenos como um computador portátil.
Porquê estudar as células de combustível
As células de combustível podem ser utilizadas numa vasta gama de aplicações, incluindo transporte, manuseamento de materiais, aplicações fixas, portáteis, e aplicações de emergência de energia de reserva. As células a combustível têm vários benefícios em relação às tecnologias convencionais baseadas na combustão actualmente utilizadas em muitas centrais eléctricas e veículos de passageiros. As células de combustível podem funcionar com maior eficiência do que os motores de combustão, e podem converter a energia química no combustível em energia eléctrica com eficiências até 60%. As células de combustível têm emissões mais baixas do que os motores de combustão. As células de combustível de hidrogénio emitem apenas água, pelo que não há emissões de dióxido de carbono nem poluentes atmosféricos que criam smog e causam problemas de saúde no ponto de funcionamento. Além disso, as células de combustível são silenciosas durante o funcionamento, pois têm menos partes móveis.
Como funcionam as células de combustível
As células de combustível funcionam como baterias, mas não se esgotam nem precisam de ser recarregadas. Produzem electricidade e calor enquanto o combustível for fornecido. Uma célula a combustível consiste em dois eléctrodos – um eléctrodo negativo (ou ânodo) e um eléctrodo positivo (ou catódico) – que se coloca à volta de um electrólito. Um combustível, como o hidrogénio, é alimentado ao ânodo, e o ar é alimentado ao cátodo. Numa célula de combustível de hidrogénio, um catalisador no ânodo separa as moléculas de hidrogénio em prótons e electrões, que tomam caminhos diferentes para o cátodo. Os electrões passam por um circuito externo, criando um fluxo de electricidade. Os prótons migram através do electrólito para o cátodo, onde se unem com o oxigénio e os electrões para produzir água e calor. Saiba mais sobre:
- Partes de uma célula de combustível
- Sistemas de células de combustível
- Tipos de células de combustível.
Veja a animação da célula de combustível do Gabinete de Tecnologias de Células de Combustível para ver como funciona uma célula de combustível.
Objectivos de Investigação e Desenvolvimento
O Departamento de Energia dos EUA (DOE) está a trabalhar em estreita colaboração com os seus laboratórios nacionais, universidades, e parceiros industriais para ultrapassar as barreiras técnicas críticas ao desenvolvimento de células a combustível. Custo, desempenho e durabilidade continuam a ser desafios chave na indústria das células de combustível. Ver links relacionados que fornecem detalhes sobre as actividades das células a combustível financiadas pelo DOE.
- Cost-Platinum representa um dos maiores componentes de custo de uma célula a combustível, tanto do R&D centra-se em abordagens que irão aumentar a actividade e utilização dos actuais catalisadores do grupo da platina (PGM) e do PGM-alloy, bem como abordagens de catalisadores não-PGM para aplicações a longo prazo.
- Durabilidade – um factor-chave de desempenho é a durabilidade, em termos de vida útil de um sistema de células de combustível que irá satisfazer as expectativas da aplicação. Os objectivos de durabilidade da DOE para células de combustível estacionárias e de transporte são 40.000 horas e 5.000 horas, respectivamente, em condições de funcionamento realistas. Nas aplicações mais exigentes, as condições de funcionamento realistas incluem impurezas no combustível e no ar, arranque e paragem, congelamento e descongelamento, e ciclos de humidade e carga que resultam em tensões na estabilidade química e mecânica dos materiais e componentes do sistema de célula de combustível. R&D centra-se na compreensão dos mecanismos de degradação da célula de combustível e no desenvolvimento de materiais e estratégias que os atenuem.
Performance-To melhorar o desempenho da célula de combustível, R&D centra-se no desenvolvimento de electrólitos de membrana de troca iónica com maior eficiência e durabilidade a um custo reduzido; melhorando os conjuntos de eléctrodos de membrana (MEAs) através da integração de componentes MEA de última geração; desenvolvendo modelos de transporte e experiências in-situ e ex-situ para fornecer dados para validação de modelos; identificando mecanismos de degradação e desenvolvendo abordagens para mitigar os seus efeitos; e mantendo actividades nucleares em componentes, subsistemas, e sistemas especificamente adaptados para aplicações estacionárias e portáteis de energia.
Alvos Técnicos
Download the Fuel Cells section of the Fuel Cell Technologies Office’s Multi-Year Research, Development, and Demonstration Plan for full details about technical targets, or view individual target tables for:
- Sistemas de células a combustível, pilhas, e componentes para iluminação…aplicações de transporte de mercadorias
- Sistemas de células e pilhas de combustível
- Componentes de células combustíveis de membrana electrolítica de polímero
- Umidificadores de sistema de células combustíveis e sistemas de compressão de ar
Sistemas de células de combustível para aplicações estacionárias (calor e energia combinados)