Laboratório de Combustão e Engenharia de Sistemas Térmicos

Célula combustível é um dispositivo que converte a energia química de um combustível em eletricidade através de reações de oxirredução com um agente oxidante.

Quando comparada a uma bateria a célula combustível trabalha de forma similar, mas não precisa ser recarregada. Enquanto houver fornecimento contínuo de combustível e oxigênio (usualmente vindo do ar atmosférico) as reações químicas se sustentam e continuam fornecendo energia elétrica.

Sistemas de geração de energia convencionais utilizam máquinas térmicas, onde a combustão converte a energia química disponível no combustível em energia térmica (para depois transformá-la em energia elétrica). Este processo é limitado pela eficiência de Carnot. Mas células combustíveis, por converterem a energia química (ou energia livre de Gibbs) diretamente em trabalho pode-se esperar altas eficiências de conversão, ou pelo menos, superiores às máquinas térmicas.

Existem muitos tipos de célula combustível, cada qual caracterizada pelo tipo de eletrólito que utiliza, mas todas são constituídas de um ânodo, um cátodo e um eletrólito. No ânodo, o combustível passa por reações de oxidação que geram íons (geralmente íons de hidrogênio carregados positivamente – prótons) e elétrons. Os íons se movem do ânodo para o cátodo através do eletrólito. Ao mesmo tempo, os elétrons fluem do ânodo para o cátodo por meio de um circuito externo, produzindo eletricidade de corrente contínua. No cátodo, elétrons e oxigênio reajem, formando água e possivelmente outros produtos.

O modelo de célula combustível disposta no LabCET é a SOFC (Solid oxide fuel cells), a qual utiliza como eletrólito um óxido sólido ou uma cerâmica. Suas principais vantagens incluem alta eficiência combinada de aproveitamento de calor e energia, estabilidade a longo prazo, flexibilidade de utilização de combustíveis, baixas emissões e custo relativamente baixo. A maior desvantagem é a alta temperatura de operação, tipicamente entre 500 e 1.000 °C, o que resulta em tempos de inicialização mais longos e problemas de compatibilidade mecânica e química.

A SOFC é idealmente projetada para operar com H_2, entretanto, devido a sua elevada temperatura de operação, a utilização de misturas gasosas que contenham CH₄, H₂O, CO₂ e N₂, além de H₂ e CO, são também aplicáveis.

Entre as principais linhas de pesquisas estudadas atualmente estão:

• Utilização de diferentes tipos de combustíveis, desde hidrocarbonetos até biocombustíveis;

• Sistemas integrados com HCCI ou turbina a gás para aproveitamento da alta temperatura de operação em aplicações estacionárias;

• Utilização de diferentes eletrólitos para melhorar o desempenho interno da SOFC;

• Baixas temperaturas de operação (< 600°C);

Referências

Hoogers, G. Fuel Cell Technology Handbook. CRC PRESS, 2003.
Kordesch, K. Simader, G. Fuel Cells and Their Applications. VCH, 1996.
Gomes, L. R. Aspectos técnicos, econômicos e ambientais de um sistema de cogeração de célula a combustível de óxido sólido (SOFC) operando com biogás. Dissertação de Mestrado – UNESP, Garatinguetá-SP, 2020.

INFORMAÇÕES ADICIONAIS

Equipe
Prof. Amir A. M. Oliveira, PhD. (Coordenador)
Guilherme Pickler, Me. Eng. (pós-graduação)

Contato: guilherme.pickler@labcet.ufsc.br