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Células de combustível de membrana de troca de prótons
 
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Células de combustível de membrana de troca de prótons

Overview

Fonte: Laboratórios de Margaret Workman e Kimberly Frye - Universidade Depaul

Os Estados Unidos consomem uma grande quantidade de energia – a taxa atual é de cerca de 97,5 quadrilhões de BTUs anualmente. A grande maioria (90%) dessa energia vem de fontes de combustível não renováveis. Essa energia é utilizada para eletricidade (39%), transporte (28%), indústria (22%) e uso residencial/comercial (11%). Como o mundo tem um fornecimento limitado dessas fontes não renováveis, os Estados Unidos (entre outros) estão expandindo o uso de fontes de energia renovável para atender às necessidades energéticas futuras. Uma dessas fontes é o hidrogênio.

O hidrogênio é considerado uma fonte potencial de combustível renovável, porque atende a muitos critérios importantes: está disponível no mercado interno, tem poucos poluentes nocivos, é eficiente em energia e é fácil de aproveitar. Embora o hidrogênio seja o elemento mais abundante no universo, ele só é encontrado em forma composta na Terra. Por exemplo, é combinado com oxigênio na água como H2O. Para ser útil como combustível, ele precisa estar na forma de gás H2. Portanto, se o hidrogênio deve ser usado como combustível para carros ou outros eletrônicos, o H2 precisa ser feito primeiro. Assim, o hidrogênio é frequentemente chamado de "porta-energia" em vez de "combustível".

Atualmente, a maneira mais popular de fazer gás H2 é a partir de combustíveis fósseis, através da reforma a vapor de hidrocarbonetos ou gaseificação de carvão. Isso não reduz a dependência de combustíveis fósseis e é intensivo em energia. Um método menos utilizado é por eletrólise da água. Isso também requer uma fonte de energia, mas pode ser uma fonte renovável, como energia eólica ou solar. Na eletrólise, a água (H2O) é dividida em suas partes componentes, gás hidrogênio (H2) e gás oxigênio (O2), através de uma reação eletroquímica. O gás hidrogênio feito através do processo de eletrólise pode então ser usado em uma célula de combustível de Membrana de Troca de Prótons (PEM), gerando uma corrente elétrica. Esta corrente elétrica pode ser usada para alimentar motores, luzes e outros dispositivos elétricos.

Principles

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Parte I deste experimento envolve a geração de gás hidrogênio através da eletrólise. Na eletrólise, a água é dividida em suas partes componentes, hidrogênio e oxigênio, através da seguinte reação eletroquímica:

2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)

Há duas vezes mais moléculas de hidrogênio produzidas que moléculas de oxigênio. Essa reação não acontece espontaneamente e precisa de uma fonte de energia elétrica, por exemplo,um painel solar. Esta é uma reação de redução de oxidação. Esses tipos de reações químicas podem ser divididas em duas partes: a reação de oxidação e a reação de redução. São chamadas de meias reações. Na meia reação de oxidação, elétrons são liberados. Na redução da meia reação, os elétrons são aceitos.

Oxidação: 2 H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e-
Redução: 4 H+(aq) + 4 e- → 2 H2(g)

O gás hidrogênio pode ser coletado e armazenado para uso posteriormente em uma célula de combustível (PEM)(Figura 1).

A parte II deste experimento envolve o uso do gás hidrogênio armazenado como combustível para produzir eletricidade para alimentar um ventilador. A célula de combustível usada neste experimento é uma célula de combustível PEM. A célula de combustível PEM é como uma bateria, na forma de criar eletricidade através de uma reação química que envolve a transferência de elétrons. Na célula de combustível PEM, as reações da metade são as seguintes:

Oxidação: 2 H2(g) → 4 H+(aq) + 4 e-
Redução: 4 H+(aq) + O2(g) + 4 e- → 2 H2O(l)

A reação geral é: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + energia

Essas meias reações ocorrem nos eletrodos (condutores por onde passa a eletricidade). Na célula de combustível PEM, há dois eletrodos: um ânodo e um cátodo. A oxidação ocorre no ânodo. A redução ocorre no cátodo. Então, na célula de combustível PEM no ânodo, o gás hidrogênio é oxidado, e elétrons são liberados no circuito. No cátodo, o gás oxigênio é reduzido e a água é formada. Na célula de combustível PEM, uma membrana de troca de prótons separa os dois eletrodos. Esta membrana permite que prótons (H+) fluam, mas impede que elétrons entrem na membrana. Assim, os elétrons são forçados a fluir através do circuito elétrico(Figura 2).

Figure 1
Figura 1: Diagrama de um eletrólito.

Figure 2
Figura 2: Célula de combustível PEM.

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Procedure

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1. Usando o eletrólito para produzir gás hidrogênio

  1. Configuração do eletrólito (Figura 3).
  2. Configure os cilindros de coleta de gás, certificando-se de que o nível de água destilada no cilindro externo esteja na marca 0(Figura 4).
  3. Conecte o eletrólito aos cilindros de coleta de gás(Figura 5).
  4. Conecte um painel solar ao eletrólito usando fios de jumper e exponha à luz solar direta(Figura 6). Note, se o tempo não estiver cooperando naquele dia, use uma lâmpada com uma lâmpada para simular o sol.
  5. O gás H2 e O2 começa a entrar nos cilindros internos(Figura 7). Monitore o volume de cada gás produzido em intervalos de 30 s, utilizando a balança marcada no cilindro externo. Leva aproximadamente 10 minutos para encher o cilindro interno com gás H2.
  6. Quando o cilindro interno está completamente cheio de gás H2, algumas bolhas devem emergir do cilindro interno, eventualmente atingindo a superfície. Neste ponto, desconecte o painel solar do eletrólito e feche o cincher no tubo de gás H2, de modo que nenhum gás H2 escape. Observe que há o dobro de gás hidrogênio produzido como gás oxigênio, como previsto na equação química equilibrada.

2. Célula de combustível

  1. Configuração de uma célula de combustível(Figura 8).
  2. Desconecte a tubulação de gás H2 do eletrólito e conecte-a à célula de combustível.
  3. Conecte a célula de combustível a um ventilador (ou uma luz LED, se um ventilador não estiver disponível (Figura 9)) e solte o cinch no tubo de gás H2 (Figura 10). O ventilador deve começar a girar. Se não, pressione a válvula de purga na célula de combustível para fazer o gás fluir.
  4. O ventilador continua girando até que todo o gás H2 seja consumido. Isso deve durar aproximadamente 5 minutos.

Figure 3
Figura 3: Uma foto do eletrólito.

Figure 4
Figura 4: Cilindros de coleta de gás com níveis de água destilados iguais a 0.

Figure 5
Figura 5: Uma imagem do eletrólito conectado aos cilindros de coleta de gás.

Figure 6
Figura 6: O painel solar conectado ao eletrólito com fios de jumper.

Figure 7
Figura 7: Um exemplo do gás entrando nos cilindros.

Figure 8
Figura 8: Uma imagem de uma célula de combustível.

Figure 9
Figura 9: A célula de combustível conectada a uma luz LED em vez de um ventilador.

Figure 10
Figura 10: O eletrólito conectado com a célula de combustível, que está conectada com o ventilador.

Células de combustível são dispositivos que transformam energia química em energia elétrica, e são frequentemente usados como uma fonte de energia limpa e alternativa.

Embora a gasolina ainda seja a principal fonte de combustível para veículos nos EUA, fontes alternativas de combustível têm sido exploradas nas últimas décadas, a fim de diminuir a dependência de combustíveis fósseis e gerar fontes mais limpas de energia.

As células de combustível de hidrogênio utilizam hidrogênio limpo como combustível, e produzem apenas água como resíduo. Embora sejam frequentemente comparadas com as baterias, as células de combustível são mais semelhantes aos motores de automóveis, pois não podem armazenar energia e requerem uma fonte constante de combustível para produzir energia. Como resultado, uma quantidade significativa de hidrogênio é necessária para a operação constante da célula de combustível.

Este vídeo introduzirá eletrólise em escala laboratorial de água para produzir gás hidrogênio, seguido pela operação de uma célula de combustível de hidrogênio em pequena escala.

Hidrogênio é o elemento mais abundante no universo. Na Terra, é encontrada principalmente em compostos com outros elementos. Portanto, para usar hidrogênio elementar como combustível, ele deve ser refinado a partir de outros compostos. A maioria do gás hidrogênio é produzido através do processo de reforma intensiva de metano, que isola o hidrogênio do gás metano. No entanto, esse processo é extremamente intensivo em energia, utiliza combustíveis fósseis e resulta em quantidades significativas de gases residuais. Isso contribui para as mudanças climáticas, e também envenena as células de combustível e diminui a operabilidade.

A eletrólise da água é um método alternativo para produzir gás hidrogênio limpo, ou seja, hidrogênio livre de gases contaminantes. Na eletrólise, a água é dividida em hidrogênio e gás oxigênio, usando uma corrente elétrica. Para isso, uma fonte de energia elétrica está conectada a dois eletrodos, que são feitos de um metal inerte. Os eletrodos são então colocados na água, e a corrente elétrica aplicada. Para eletrólise em pequena escala, uma bateria ou pequeno painel solar pode ser usado para gerar corrente suficiente para dividir a água. No entanto, em aplicações em larga escala, são necessárias fontes de maior densidade energética.

A reação de eletrólise é uma redução de oxidação, ou redox, reação. Há duas vezes mais moléculas de hidrogênio produzidas como moléculas de oxigênio, de acordo com a reação química equilibrada. O gás hidrogênio gerado a partir desta reação eletroquímica pode ser coletado e armazenado para uso como combustível em uma célula de combustível. Uma membrana de troca de prótons, ou PEM, célula de combustível transforma energia química, ou gás hidrogênio, em energia elétrica. Como acontece com a eletrólise, a célula de combustível PEM emprega uma reação redox. O gás hidrogênio é entregue ao ânodo do conjunto da célula de combustível, onde é oxidado para formar prótons e elétrons.

Os prótons carregados positivamente migram através da membrana de troca de prótons, para o cátodo. No entanto, os elétrons carregados negativamente são incapazes de permear a membrana. Os elétrons viajam através de um circuito externo, fornecendo corrente elétrica. O gás oxigênio é entregue ao cátodo da montagem da célula de combustível, onde ocorre a reação de redução. Lá, o oxigênio reage com os prótons e elétrons que foram gerados no ânodo, para formar água. A água é então removida da célula de combustível como lixo.

Agora que o básico da operação da célula de combustível foi explicado, vamos olhar para este processo em laboratório.

Para iniciar o procedimento, configure o eletrólito e os dois cilindros de coleta de gás. Encha os recipientes externos com água destilada até a marca zero. Coloque os cilindros de coleta de gás nos recipientes externos.

Em seguida, conecte o eletrólito aos cilindros de coleta de gás usando tubos. Conecte um painel solar ao eletrólito usando fios de jumper. Coloque o painel solar sob luz solar direta para alimentar a produção de gás hidrogênio. Se não houver luz natural suficiente, simule a luz solar usando uma lâmpada.

O hidrogênio e o gás oxigênio começarão a entrar nos cilindros internos de coleta de gás. Monitore o volume de cada gás produzido em intervalos de 30 s, utilizando a balança marcada no cilindro externo.

Quando o cilindro interno estiver completamente cheio de gás hidrogênio, bolhas surgirão do cilindro interno, chegando eventualmente à superfície. Neste ponto, desconecte o painel solar do eletrólito e feche o cincher no tubo de gás hidrogênio, então nenhum gás hidrogênio escapa. Note que há o dobro de gás hidrogênio produzido como gás oxigênio, como previsto na equação química equilibrada.

Para começar a operação da célula de combustível, coloque a célula de combustível na parte superior do banco. Desconecte a tubulação de gás hidrogênio do eletrólito e conecte-o à célula de combustível. O oxigênio necessário é coletado do ar.

Conecte a célula de combustível a um ventilador ou luz LED para visualizar a geração de energia. Solte o cinch no tubo de gás hidrogênio para permitir o fluxo de gás para a célula de combustível. Se o ventilador não começar a girar, pressione a válvula de purga na célula de combustível para incentivar o fluxo de gás.

O ventilador continuará girando até que todo o gás hidrogênio seja consumido.

Existem muitos tipos diferentes de células de combustível que estão sendo desenvolvidas como soluções de energia limpa. Aqui apresentamos três tecnologias emergentes.

As células de combustível de óxido sólido, ou SOFC's, são outro tipo de célula de combustível, que operam de forma semelhante a uma célula de combustível PEM, exceto que a membrana permeável é substituída por um óxido sólido. Assim como as células de combustível PEM, a operabilidade da diminuição do SOFC após a exposição a gases contaminantes contendo enxofre e carbono. Neste exemplo, os eletrodos SOFC foram fabricados e expostos a ambientes operacionais típicos em alta temperatura na presença de enxofre e combustível contaminado por carbono.

O envenenamento por superfície de eletrodo foi estudado usando eletroquímica e espectroscopia de Raman. Os resultados mostraram que a corrente foi diminuída após envenenamento por enxofre, mas essa recuperação foi possível. Estudos de microscopia de força atômica elucidaram a morfologia dos depósitos de carbono, o que pode levar a um desenvolvimento adicional para prevenir esse envenenamento.

Uma célula de combustível microbiana deriva corrente elétrica de bactérias encontradas na natureza. Neste exemplo, foram cultivadas bactérias adquiridas de estações de tratamento de águas residuais e utilizadas para cultivar biofilmes. Uma célula eletroquímica de três eletrodos foi criada, a fim de cultivar bactérias na superfície de um eletrodo. O biofilme foi cultivado eletroquimicamente em vários ciclos de crescimento.

O biofilme resultante foi então testado para transferência de elétrons extracelulares eletroquimicamente. Os resultados eletroquímicos foram então usados para entender a transferência de elétrons e a potencial aplicação do biofilme às células de combustível microbiana.

A eletrólise requer energia para quebrar água em hidrogênio e oxigênio. Este processo é intensivo em energia em larga escala, mas pode ser operado em pequena escala usando uma célula solar.

Uma fonte alternativa de energia para eletrólise é a energia eólica. No laboratório, a eletrólise pode ser alimentada com uma turbina eólica em escala de banco. Nesta demonstração, a turbina eólica foi alimentada usando vento simulado gerado por um ventilador de mesa.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE à célula de combustível PEM. Agora você deve entender a operação básica de uma célula de combustível PEM e a geração de gás hidrogênio através da eletrólise. Obrigado por assistir!

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Results

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Durante o procedimento de eletrólise, o hidrogênio e o gás oxigênio são gerados uma vez que o painel solar é conectado e exposto à luz solar. Leva aproximadamente 10 minutos para gerar gás H2 suficiente para encher o cilindro interno(Tabela 1). Note que há duasvezes mais H 2 gerado como O2, como visto na equação equilibrada:

2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)

Uma vez que o gás H2 é gerado e o tubo é conectado à célula de combustível, a célula de combustível gera eletricidade e faz com que o ventilador gire. Isso dura aproximadamente 10 min em um cilindro completo de gás H2.

Tempo (s) Hidrogênio gerado (mL) Oxigênio Gerado (mL)
0 0 0
30 4 2
60 8 4
90 10 6
120 12 6
150 14 6
180 14 8
210 16 8
240 18 8
270 20 10
300 22 10
330 22 10
360 24 12
390 24 12
420 26 12
450 26 14
480 28 14
510 28 14
540 28 14
570 30 16
600 30 16

Tabela 1: Tempo necessário para gerar diferentes quantidades de hidrogênio e oxigênio

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Applications and Summary

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Hidrogênio é um combustível flexível. Pode ser produzido no local em pequenas quantidades para uso local ou em grandes quantidades em uma instalação centralizada. O hidrogênio pode então ser usado para produzir eletricidade apenas com água como subproduto (desde que uma fonte renovável de energia, como uma turbina eólica, foi usada para gerar o gás hidrogênio). Por exemplo, em Boulder, Colorado, o projeto Wind2H2 tem turbinas eólicas e painéis solares conectados a eletrólitos que produzem gás hidrogênio a partir da água e, em seguida, armazena-lo para ser usado em sua estação de abastecimento de hidrogênio.

Este processo também pode ser usado para fazer os carros funcionarem com gás hidrogênio (H2) em vez de combustíveis fósseis. Se uma célula de combustível PEM for instalada em um carro, a eletricidade pode ser usada para fazer o motor funcionar. O único escapamento seria água (H2O). Do ponto de vista da poluição do ar, isso é vantajoso. Existem muitos protótipos de carros a célula de combustível sendo desenvolvidos por grandes fabricantes de automóveis. Devido à quantidade de espaço atualmente necessária para armazenar os tanques de hidrogênio comprimido em um veículo, as células de combustível de hidrogênio são vistas principalmente nos ônibus. Ônibus com células de combustível podem ser encontrados em vários países ao redor do mundo. Existem algumas questões tecnológicas que precisam ser tratadas antes que os carros com células de combustível sejam uma alternativa viável aos carros com motores de combustão interna, incluindo fornecer mais infraestrutura, reduzir custos e um aumento do uso de fontes de energia renovável ao fabricar gás H2.

Além disso, as células de combustível de hidrogênio podem ser usadas no lugar de baterias para coisas como câmeras de vídeo e rádios. Um exemplo é o dispositivo UPP, que é um power pack portátil baseado na tecnologia de célula de combustível de hidrogênio que pode ser usado para carregar dispositivos compatíveis com USB.

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Transcript

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