Célula de combustível

Modelo de demonstração de uma célula de combustível de metanol direto (cubo em camadas pretas) em seu recinto.

Esquema de uma célula de combustível de produção de prótons

Uma célula de combustível é a célula eletroquímica que converte a energia química de um combustível (geralmente hidrogênio) e um agente oxidante (geralmente oxigênio) em eletricidade por meio de um par de reações redox. As células de combustível são diferentes da maioria das baterias porque requerem uma fonte contínua de combustível e oxigênio (geralmente do ar) para sustentar a reação química, enquanto em uma bateria a energia química geralmente vem de substâncias que já estão presentes na bateria. As células de combustível podem produzir eletricidade continuamente enquanto o combustível e o oxigênio forem fornecidos.

As primeiras células de combustível foram inventadas por Sir William Grove em 1838. O primeiro uso comercial de células de combustível ocorreu mais de um século depois, após a invenção da célula de combustível de hidrogênio-oxigênio por Francis Thomas Bacon em 1932. A célula de combustível alcalina, também conhecida como célula de combustível Bacon por causa de seu inventor, tem sido usada em programas espaciais da NASA desde meados da década de 1960 para gerar energia para satélites e cápsulas espaciais. Desde então, as células de combustível têm sido usadas em muitas outras aplicações. As células de combustível são usadas para energia primária e de backup para edifícios comerciais, industriais e residenciais e em áreas remotas ou inacessíveis. Eles também são usados para alimentar veículos movidos a células de combustível, incluindo empilhadeiras, automóveis, ônibus, trens, barcos, motocicletas e submarinos.

Existem muitos tipos de células de combustível, mas todas consistem em um ânodo, um cátodo e um eletrólito que permite que os íons, geralmente íons de hidrogênio carregados positivamente (prótons), se movam entre os dois lados da célula de combustível. No ânodo, um catalisador faz com que o combustível sofra reações de oxidação que geram íons (geralmente íons de hidrogênio carregados positivamente) 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 através de um circuito externo, produzindo eletricidade em corrente contínua. No cátodo, outro catalisador faz com que íons, elétrons e oxigênio reajam, formando água e possivelmente outros produtos. As células de combustível são classificadas pelo tipo de eletrólito que usam e pela diferença no tempo de inicialização, variando de 1 segundo para células de combustível de membrana de troca de prótons (PEM fuel cells, ou PEMFC) a 10 minutos para células de combustível de óxido sólido (SOFC). Uma tecnologia relacionada são as baterias de fluxo, nas quais o combustível pode ser regenerado por recarga. Células de combustível individuais produzem potenciais elétricos relativamente pequenos, cerca de 0,7 volts, de modo que as células são "empilhadas" ou colocadas em série para criar tensão suficiente para atender aos requisitos de uma aplicação. Além da eletricidade, as células de combustível produzem vapor de água, calor e, dependendo da fonte de combustível, quantidades muito pequenas de dióxido de nitrogênio e outras emissões. As células PEMFC geralmente produzem menos óxidos de nitrogênio do que as células SOFC: elas operam em temperaturas mais baixas, usam hidrogênio como combustível e limitam a difusão de nitrogênio no ânodo através da membrana de troca de prótons que forma NOx. A eficiência energética de uma célula de combustível é geralmente entre 40 e 60%; no entanto, se o calor residual for capturado em um esquema de cogeração, podem ser obtidas eficiências de até 85%.

História

O número de registro da publicação relacionada a fontes de energia eletroquímicas por ano. Também mostrado como a linha magenta é o preço do óleo ajustado pela inflação em US$/liter em escala linear.

Esboço da célula de combustível de Sir William Grove 1839

As primeiras referências a células de combustível de hidrogênio apareceram em 1838. Em uma carta datada de outubro de 1838, mas publicada na edição de dezembro de 1838 da The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science, físico e advogado galês Sir William Grove escreveu sobre o desenvolvimento de suas primeiras células de combustível bruto. Ele usou uma combinação de chapas de ferro, cobre e porcelana e uma solução de sulfato de cobre e ácido diluído. Em uma carta para a mesma publicação escrita em dezembro de 1838, mas publicada em junho de 1839, o físico alemão Christian Friedrich Schönbein discutiu a primeira célula de combustível bruta que ele havia inventado. Sua carta discutiu a corrente gerada a partir do hidrogênio e do oxigênio dissolvidos na água. Grove posteriormente esboçou seu projeto, em 1842, no mesmo diário. A célula de combustível que ele fez usou materiais semelhantes à célula de combustível de ácido fosfórico de hoje.

Em 1932, o engenheiro inglês Francis Thomas Bacon desenvolveu com sucesso uma célula de combustível estacionária de 5 kW. A célula de combustível alcalina (AFC), também conhecida como célula de combustível Bacon em homenagem ao seu inventor, é uma das tecnologias de célula de combustível mais desenvolvidas, que a NASA utiliza desde meados da década de 1960.

Em 1955, W. Thomas Grubb, um químico que trabalhava para a General Electric Company (GE), modificou ainda mais o projeto original da célula de combustível usando uma membrana de troca iônica de poliestireno sulfonado como eletrólito. Três anos depois, outro químico da GE, Leonard Niedrach, desenvolveu uma maneira de depositar platina na membrana, que serviu como catalisador para as reações necessárias de oxidação do hidrogênio e redução do oxigênio. Isso ficou conhecido como a "célula de combustível Grubb-Niedrach". A GE passou a desenvolver essa tecnologia com a NASA e a McDonnell Aircraft, levando ao seu uso durante o Projeto Gemini. Este foi o primeiro uso comercial de uma célula de combustível. Em 1959, uma equipe liderada por Harry Ihrig construiu um trator de célula de combustível de 15 kW para Allis-Chalmers, que foi demonstrado em feiras estaduais nos Estados Unidos. Este sistema usava hidróxido de potássio como eletrólito e hidrogênio e oxigênio comprimidos como reagentes. Mais tarde, em 1959, Bacon e seus colegas demonstraram uma unidade prática de cinco quilowatts capaz de alimentar uma máquina de solda. Na década de 1960, a Pratt & Whitney licenciou as patentes de Bacon nos EUA para uso no programa espacial dos EUA para fornecer eletricidade e água potável (hidrogênio e oxigênio prontamente disponíveis nos tanques da espaçonave). Em 1991, o primeiro automóvel com célula de combustível de hidrogênio foi desenvolvido por Roger E. Billings.

A UTC Power foi a primeira empresa a fabricar e comercializar um grande sistema estacionário de célula de combustível para uso como usina de cogeração em hospitais, universidades e grandes edifícios de escritórios.

Em reconhecimento à indústria de células de combustível e ao papel da América no desenvolvimento de células de combustível, o Senado dos Estados Unidos reconheceu o dia 8 de outubro de 2015 como o Dia Nacional do Hidrogênio e da Célula de Combustível, aprovando o S. RES 217. A data foi escolhida em reconhecimento do peso atômico do hidrogênio (1,008).

Tipos de células de combustível; desenho

As células de combustível existem em muitas variedades; no entanto, todos eles funcionam da mesma maneira geral. Eles são compostos de três segmentos adjacentes: o ânodo, o eletrólito e o cátodo. Duas reações químicas ocorrem nas interfaces dos três segmentos diferentes. O resultado líquido das duas reações é que o combustível é consumido, água ou dióxido de carbono é criado e uma corrente elétrica é criada, que pode ser usada para alimentar dispositivos elétricos, normalmente chamados de carga.

No ânodo, um catalisador ioniza o combustível, geralmente hidrogênio, transformando o combustível em um íon carregado positivamente e um elétron carregado negativamente. O eletrólito é uma substância projetada especificamente para que os íons possam passar por ele, mas os elétrons não. Os elétrons liberados viajam através de um fio criando uma corrente elétrica. Os íons viajam através do eletrólito para o cátodo. Ao atingir o cátodo, os íons se reúnem com os elétrons e os dois reagem com uma terceira substância química, geralmente oxigênio, para criar água ou dióxido de carbono.

Um diagrama de bloco de uma célula de combustível

Os recursos de design em uma célula de combustível incluem:

• A substância eletrolítica, que geralmente define o tipo de célula de combustível, e pode ser feito de uma série de substâncias como hidróxido de potássio, carbonatos de sal e ácido fosfórico.
• O combustível que é usado. O combustível mais comum é o hidrogénio.
• O catalisador de ânodo, geralmente pó de platina fino, quebra o combustível em elétrons e íons.
• O catalisador de cátodo, muitas vezes níquel, converte íons em resíduos químicos, sendo a água o tipo mais comum de resíduos.
• camadas de difusão de gás que são projetadas para resistir à oxidação.

Uma célula de combustível típica produz uma tensão de 0,6 a 0,7 V em plena carga nominal. A tensão diminui à medida que a corrente aumenta, devido a vários fatores:

• Perda de ativação
• Perda Ohmic (descarte de tensão devido à resistência dos componentes celulares e interconexões)
• Perda de transporte em massa (depleção de reagentes em locais de catalisador sob cargas elevadas, causando perda rápida de tensão).

Para fornecer a quantidade desejada de energia, as células de combustível podem ser combinadas em série para produzir uma tensão mais alta e em paralelo para permitir o fornecimento de uma corrente mais alta. Esse projeto é chamado de pilha de célula de combustível. A área de superfície da célula também pode ser aumentada, para permitir maior corrente de cada célula.

Células de combustível de membrana de troca de prótons

Construção de uma alta temperatura PEMFC: Placa bipolar como eletrodo com estrutura de canal de gás moído, fabricado a partir de compostos condutores (com grafite, carbono preto, fibra de carbono e / ou nanotubos de carbono para mais condutividade); Papel de carbono poroso; camada reativa, geralmente na membrana de polímero aplicada; membrana de polímero.

Condensação de água produzida por um PEMFC na parede do canal de ar. O fio de ouro em torno da célula garante a coleção de corrente elétrica.

Micrografo SEM de uma seção transversal PEMFC MEA com um catodo catalisador de metal não precioso e ânodo Pt/C. Falsas cores aplicadas para clareza.

No projeto arquetípico de célula de combustível de membrana de troca de prótons de óxido de hidrogênio (PEMFC), uma membrana de polímero condutora de prótons (normalmente nafion) contém a solução eletrolítica que separa os lados do ânodo e do cátodo. Isso foi chamado de célula de combustível de eletrólito de polímero sólido (SPEFC) no início dos anos 1970, antes que o mecanismo de troca de prótons fosse bem compreendido. (Observe que os sinônimos membrana eletrolítica de polímero e mecanismo de troca de prótons resultam no mesmo acrônimo.)

No lado do ânodo, o hidrogênio se difunde para o catalisador do ânodo, onde mais tarde se dissocia em prótons e elétrons. Esses prótons geralmente reagem com oxidantes, fazendo com que eles se tornem o que é comumente referido como membranas de prótons multifacilitadas. Os prótons são conduzidos através da membrana até o cátodo, mas os elétrons são forçados a viajar em um circuito externo (fornecendo energia) porque a membrana é eletricamente isolante. No catalisador catódico, as moléculas de oxigênio reagem com os elétrons (que passaram pelo circuito externo) e prótons para formar água.

Além desse tipo de hidrogênio puro, existem combustíveis de hidrocarbonetos para células de combustível, incluindo diesel, metanol (ver: células de combustível de metanol direto e células de combustível de metanol indireto) e hidretos químicos. Os produtos residuais com esses tipos de combustível são dióxido de carbono e água. Quando o hidrogênio é usado, o CO₂ é liberado quando o metano do gás natural é combinado com o vapor, em um processo chamado de reforma do metano a vapor, para produzir o hidrogênio. Isso pode ocorrer em um local diferente da célula de combustível, potencialmente permitindo que a célula de combustível de hidrogênio seja usada em ambientes fechados, por exemplo, em empilhadeiras.

Os diferentes componentes de um PEMFC são

1. placas bipolares,
2. eletrodos,
3. catalisador,
4. membrana, e
5. o hardware necessário, como coletores atuais e juntas.

Os materiais usados para diferentes partes das células de combustível diferem por tipo. As placas bipolares podem ser feitas de diferentes tipos de materiais, como metal, metal revestido, grafite, grafite flexível, compósito C–C, compósitos de polímero de carbono etc. O conjunto de eletrodo de membrana (MEA) é referido como o coração de o PEMFC e geralmente é feito de uma membrana de troca de prótons imprensada entre dois papéis de carbono revestidos com catalisador. Platina e/ou metais nobres semelhantes são geralmente usados como catalisadores para PEMFC, e estes podem ser contaminados por monóxido de carbono, necessitando de um combustível de hidrogênio relativamente puro. O eletrólito pode ser uma membrana de polímero.

Problemas de projeto de célula de combustível de membrana de troca de prótons

Custo

Em 2013, o Departamento de Energia estimou que o sistema de células de combustível automotivo de 80 kW custa de US$ 67 por quilowatt poderia ser alcançado, assumindo a produção de volume de 100.000 unidades automotivas por ano e US$ 55 por quilowatt poderia ser alcançado, assumindo a produção de volume de 500.000 unidades por ano. Muitas empresas estão trabalhando em técnicas para reduzir o custo em uma variedade de maneiras, incluindo a redução da quantidade de platina necessária em cada célula individual. Ballard Power Systems experimentou com um catalisador aprimorado com seda de carbono, o que permite uma redução de 30% (1,0–0,7 mg/cm²) no uso de platina sem redução no desempenho. Monash University, Melbourne usa PEDOT como um cátodo. Um estudo publicado em 2011 documentou o primeiro eletrocatalisador sem metal usando nanotubos de carbono dopados relativamente baratos, que são menos de 1% o custo do platina e são de desempenho igual ou superior. Um artigo publicado recentemente demonstrou como os fardos ambientais mudam ao usar nanotubos de carbono como substrato de carbono para platina.

Gestão da água e do ar (em PEMFCs)

Neste tipo de célula de combustível, a membrana deve ser hidratada, exigindo que a água seja evaporada precisamente à mesma taxa que é produzida. Se a água é evaporada muito rapidamente, a membrana seca, a resistência através dele aumenta, e eventualmente vai rachar, criando um "circuito curto" de gás onde o hidrogênio e o oxigênio combinam diretamente, gerando calor que danificará a célula de combustível. Se a água é evaporada muito lentamente, os eletrodos inundarão, impedindo que os reagentes atinjam o catalisador e impedindo a reação. Métodos para gerenciar a água nas células estão sendo desenvolvidos como bombas eletroosmóticas com foco no controle de fluxo. Assim como em um motor de combustão, uma relação constante entre o reagente e o oxigênio é necessário para manter a célula de combustível funcionando de forma eficiente.

Gestão da temperatura

A mesma temperatura deve ser mantida em toda a célula para evitar a destruição da célula através do carregamento térmico. Isto é particularmente desafiador como o 2H₂ + O₂ → 2H₂O reação é altamente exotérmica, então uma grande quantidade de calor é gerada dentro da célula de combustível.

Durabilidade, vida útil e requisitos especiais para algum tipo de células

As aplicações estacionárias de células de combustível normalmente exigem mais de 40.000 horas de operação confiável a uma temperatura de -35 °C a 40 °C (−31 °F a 104 °F), enquanto as células de combustível automotivo exigem uma vida útil de 5.000 horas (o equivalente a 240.000 km ou 150.000 milhas) sob temperaturas extremas. A vida útil atual é de 2.500 horas (cerca de 120.000 km ou 75.000 mi). Os motores automotivos também devem ser capazes de começar de forma confiável a -30 °C (−22 °F) e ter uma alta relação potência-volume (tipicamente 2,5 kW / L).

Tolerância de monóxido de carbono limitada de alguns (não-PEDOT) cátodos.

Célula de combustível de ácido fosfórico

As células de combustível de ácido fosfórico (PAFCs) foram projetadas e introduzidas pela primeira vez em 1961 por G. V. Elmore e H. A. Tanner. Nessas células, o ácido fosfórico é usado como um eletrólito não condutor para passar prótons do ânodo para o cátodo e para forçar os elétrons a viajarem do ânodo para o cátodo através de um circuito elétrico externo. Essas células geralmente trabalham em temperaturas de 150 a 200°C. Essa alta temperatura causará perda de calor e energia se o calor não for removido e usado adequadamente. Este calor pode ser usado para produzir vapor para sistemas de ar condicionado ou qualquer outro sistema consumidor de energia térmica. O uso desse calor na cogeração pode aumentar a eficiência das células de combustível de ácido fosfórico de 40 a 50% para cerca de 80%. Como a taxa de produção de prótons no ânodo é pequena, a platina é usada como catalisador para aumentar essa taxa de ionização. Uma desvantagem chave dessas células é o uso de um eletrólito ácido. Isso aumenta a corrosão ou oxidação dos componentes expostos ao ácido fosfórico.

Célula de combustível de ácido sólido

Células de combustível de ácido sólido (SAFCs) são caracterizadas pelo uso de um material ácido sólido como eletrólito. Em baixas temperaturas, os ácidos sólidos têm uma estrutura molecular ordenada como a maioria dos sais. Em temperaturas mais altas (entre 140 e 150 °C para CsHSO₄), alguns ácidos sólidos passam por uma transição de fase para se tornarem "superprotônicos& altamente desordenados #34; estruturas, o que aumenta a condutividade em várias ordens de grandeza. Os primeiros SAFCs de prova de conceito foram desenvolvidos em 2000 usando hidrogenossulfato de césio (CsHSO₄). Os sistemas SAFC atuais usam dihidrogenofosfato de césio (CsH₂PO₄) e demonstraram vida útil de milhares de horas.

Célula de combustível alcalina

A célula de combustível alcalina (AFC) ou célula de combustível de hidrogênio-oxigênio foi projetada e demonstrada publicamente pela primeira vez por Francis Thomas Bacon em 1959. Foi usada como fonte primária de energia elétrica no programa espacial Apollo. A célula consiste em dois eletrodos de carbono porosos impregnados com um catalisador adequado, como Pt, Ag, CoO, etc. O espaço entre os dois eletrodos é preenchido com uma solução concentrada de KOH ou NaOH que serve como eletrólito. O gás H₂ e o gás O₂ são borbulhados no eletrólito através dos eletrodos de carbono poroso. Assim, a reação global envolve a combinação de gás hidrogênio e gás oxigênio para formar água. A célula funciona continuamente até que o suprimento do reagente se esgote. Esse tipo de célula opera com eficiência na faixa de temperatura de 343–413 K e fornece um potencial de cerca de 0,9 V. A célula de combustível alcalina de membrana de troca aniônica (AAEMFC) é um tipo de AFC que emprega um eletrólito de polímero sólido em vez de hidróxido de potássio aquoso (KOH) e é superior à AFC aquosa.

Células de combustível de alta temperatura

Célula de combustível de óxido sólido

Células de combustível de óxido sólido (SOFCs) usam um material sólido, mais comumente um material cerâmico chamado zircônia estabilizada com ítria (YSZ), como eletrólito. Como os SOFCs são feitos inteiramente de materiais sólidos, eles não estão limitados à configuração plana de outros tipos de células de combustível e são frequentemente projetados como tubos laminados. Eles exigem altas temperaturas de operação (800–1000 °C) e podem funcionar com uma variedade de combustíveis, incluindo gás natural.

SOFCs são únicos porque os íons de oxigênio carregados negativamente viajam do cátodo (lado positivo da célula de combustível) para o ânodo (lado negativo da célula de combustível) em vez de prótons viajarem vice-versa (ou seja, do ânodo para o cátodo), como é o caso de todos os outros tipos de células de combustível. O gás oxigênio é alimentado através do cátodo, onde absorve elétrons para criar íons de oxigênio. Os íons de oxigênio então viajam através do eletrólito para reagir com o gás hidrogênio no ânodo. A reação no ânodo produz eletricidade e água como subprodutos. O dióxido de carbono também pode ser um subproduto dependendo do combustível, mas as emissões de carbono de um sistema SOFC são menores do que as de uma usina de combustão de combustível fóssil. As reações químicas para o sistema SOFC podem ser expressas da seguinte forma:

Reação do ânodo: 2H₂ + 2O^2- → 2H₂O + 4e^{- Sim.}

Reação de cátodo:₂ + 4e^{- Sim.} → 2O^2-

Reação celular geral: 2H₂ + O₂ → 2H₂O

Os sistemas SOFC podem funcionar com outros combustíveis além do gás hidrogênio puro. No entanto, como o hidrogênio é necessário para as reações listadas acima, o combustível selecionado deve conter átomos de hidrogênio. Para que a célula de combustível funcione, o combustível deve ser convertido em gás hidrogênio puro. As SOFCs são capazes de reformar internamente hidrocarbonetos leves, como metano (gás natural), propano e butano. Essas células de combustível estão em um estágio inicial de desenvolvimento.

Existem desafios nos sistemas SOFC devido às suas altas temperaturas de operação. Um desses desafios é o potencial de acúmulo de poeira de carbono no ânodo, o que retarda o processo de reforma interna. A pesquisa para abordar esse "coqueamento de carbono" Uma edição da Universidade da Pensilvânia mostrou que o uso de cermet à base de cobre (materiais resistentes ao calor feitos de cerâmica e metal) pode reduzir a coqueificação e a perda de desempenho. Outra desvantagem dos sistemas SOFC é o longo tempo de inicialização, tornando os SOFCs menos úteis para aplicações móveis. Apesar dessas desvantagens, uma alta temperatura operacional oferece uma vantagem ao remover a necessidade de um catalisador de metal precioso como a platina, reduzindo assim o custo. Além disso, o calor residual dos sistemas SOFC pode ser capturado e reutilizado, aumentando a eficiência teórica geral para até 80–85%.

A alta temperatura operacional deve-se em grande parte às propriedades físicas do eletrólito YSZ. À medida que a temperatura diminui, também diminui a condutividade iônica de YSZ. Portanto, para obter o desempenho ideal da célula de combustível, é necessária uma alta temperatura de operação. De acordo com seu site, a Ceres Power, fabricante britânica de células de combustível SOFC, desenvolveu um método para reduzir a temperatura operacional de seu sistema SOFC para 500–600 graus Celsius. Eles substituíram o eletrólito YSZ comumente usado por um eletrólito CGO (óxido de cério gadolínio). A temperatura operacional mais baixa permite que eles usem aço inoxidável em vez de cerâmica como substrato da célula, o que reduz o custo e o tempo de inicialização do sistema.

Célula de combustível de carbonato fundido

Células de combustível de carbonato fundido (MCFCs) requerem uma alta temperatura operacional, 650 °C (1.200 °F), semelhante às SOFCs. Os MCFCs usam sal de carbonato de potássio e lítio como eletrólito, e esse sal se liquefaz em altas temperaturas, permitindo o movimento de carga dentro da célula – neste caso, íons negativos de carbonato.

Assim como os SOFCs, os MCFCs são capazes de converter combustível fóssil em um gás rico em hidrogênio no ânodo, eliminando a necessidade de produzir hidrogênio externamente. O processo de reforma cria emissões de CO ₂. Os combustíveis compatíveis com MCFC incluem gás natural, biogás e gás produzido a partir do carvão. O hidrogênio no gás reage com os íons de carbonato do eletrólito para produzir água, dióxido de carbono, elétrons e pequenas quantidades de outros produtos químicos. Os elétrons viajam por um circuito externo criando eletricidade e retornam ao cátodo. Lá, o oxigênio do ar e o dióxido de carbono reciclado do ânodo reagem com os elétrons para formar íons de carbonato que reabastecem o eletrólito, completando o circuito. As reações químicas para um sistema MCFC podem ser expressas da seguinte forma:

Reação do ânodo: CO₃^2- + H₂ → H₂O + CO₂ + 2^{- Sim.}

Reação de cátodo: CO₂ + 1⁄2O₂ + 2^{- Sim.} → CO₃^2-

Reação celular geral: H₂ + 1⁄2O₂ → H₂O

Assim como acontece com os SOFCs, as desvantagens do MCFC incluem tempos de inicialização lentos devido à sua alta temperatura operacional. Isso torna os sistemas MCFC inadequados para aplicações móveis, e essa tecnologia provavelmente será usada para fins de células de combustível estacionárias. O principal desafio da tecnologia MCFC é o controle das células. Curto tempo de vida. A alta temperatura e o eletrólito de carbonato levam à corrosão do ânodo e do cátodo. Esses fatores aceleram a degradação dos componentes do MCFC, diminuindo a durabilidade e a vida útil da célula. Os pesquisadores estão abordando esse problema explorando materiais resistentes à corrosão para componentes, bem como projetos de células de combustível que podem aumentar a vida útil da célula sem diminuir o desempenho.

Os MCFCs possuem várias vantagens sobre outras tecnologias de células de combustível, incluindo sua resistência a impurezas. Eles não são propensos a "coqueificação de carbono", que se refere ao acúmulo de carbono no ânodo que resulta em desempenho reduzido ao retardar o processo interno de reforma do combustível. Portanto, combustíveis ricos em carbono, como gases feitos de carvão, são compatíveis com o sistema. O Departamento de Energia dos Estados Unidos afirma que o próprio carvão pode até ser uma opção de combustível no futuro, supondo que o sistema possa ser resistente a impurezas como enxofre e partículas resultantes da conversão de carvão em hidrogênio. Os MCFCs também têm eficiências relativamente altas. Eles podem atingir uma eficiência de conversão de combustível em eletricidade de 50%, consideravelmente maior do que a eficiência de 37 a 42% de uma usina de célula de combustível de ácido fosfórico. As eficiências podem chegar a 65% quando a célula de combustível é emparelhada com uma turbina e 85% se o calor for capturado e usado em um sistema combinado de calor e energia (CHP).

A FuelCell Energy, fabricante de células de combustível com sede em Connecticut, desenvolve e vende células de combustível MCFC. A empresa diz que seus produtos MCFC variam de sistemas de 300 kW a 2,8 MW que atingem 47% de eficiência elétrica e podem utilizar a tecnologia CHP para obter eficiências gerais mais altas. Um produto, o DFC-ERG, é combinado com uma turbina a gás e, segundo a empresa, atinge uma eficiência elétrica de 65%.

Célula de combustível de armazenamento elétrico

A célula de combustível de armazenamento elétrico é uma bateria convencional recarregável por entrada de energia elétrica, usando o efeito eletroquímico convencional. No entanto, a bateria inclui ainda entradas de hidrogênio (e oxigênio) para carregar alternativamente a bateria quimicamente.

Comparação de tipos de células de combustível

Glossário de termos na tabela:

Anode

O eletrodo no qual ocorre oxidação (perda de elétrons). Para células de combustível e outras células galvânicas, o ânodo é o terminal negativo; para células eletrolíticas (onde a electrólise ocorre), o ânodo é o terminal positivo.

Solução aquosa

De água, relacionada ou semelhante

Feito de, com ou por água.

Catalisador

Uma substância química que aumenta a taxa de uma reação sem ser consumida; após a reação, pode potencialmente ser recuperada da mistura de reação e é quimicamente inalterada. O catalisador reduz a energia de ativação necessária, permitindo que a reação prossiga mais rapidamente ou a uma temperatura mais baixa. Em uma célula de combustível, o catalisador facilita a reação de oxigênio e hidrogênio. É geralmente feito de pó de platina muito finamente revestido em papel de carbono ou pano. O catalisador é áspero e poroso para que a superfície máxima do platina possa ser exposta ao hidrogênio ou oxigênio. O lado revestido de platina do catalisador enfrenta a membrana na célula de combustível.

Cathode

O eletrodo em que a redução (um ganho de elétrons) ocorre. Para células de combustível e outras células galvânicas, o cátodo é o terminal positivo; para células eletrolíticas (onde a electrólise ocorre), o cátodo é o terminal negativo.

Eletrolítico

Uma substância que conduz íons carregados de um eletrodo para o outro em uma célula de combustível, bateria ou eletrolisador.

pilha de combustível

Células de combustível individuais conectadas em uma série. As células de combustível são empilhadas para aumentar a tensão.

Matriz

algo dentro ou a partir do qual algo mais se origina, se desenvolve ou se forma.

Membrana

A camada de separação em uma célula de combustível que atua como eletrólito (um trocador de íons), bem como um filme de barreira que separa os gases nos compartimentos de ânodo e cátodo da célula de combustível.

Célula de combustível carbonato (MCFC)

Um tipo de célula de combustível que contém um eletrólito de carbonato de fundido. íons de carbonato (CO)₃^2-) são transportados do cátodo para o ânodo. As temperaturas de funcionamento são tipicamente de 650 °C.

Célula de combustível de ácido fosfórico (PAFC)

Um tipo de célula de combustível em que o eletrólito consiste em ácido fosfórico concentrado (H)₃PODE₄). Os prótons (H+) são transportados do ânodo para o cátodo. A faixa de temperatura de funcionamento é geralmente 160-220 °C.

Célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEM)

Uma célula de combustível que incorpora uma membrana de polímero sólida usada como seu eletrólito. Os prótons (H+) são transportados do ânodo para o cátodo. A faixa de temperatura operacional é geralmente de 60 a 100 °C para célula de combustível de membrana de baixa temperatura Proton-exchange (LT-PEMFC). A célula de combustível PEM com temperatura operacional de 120-200 °C é chamada de célula de combustível de membrana de alta temperatura Proton-exchange (HT-PEMFC).

Célula de combustível de óxido sólido (SOFC)

Um tipo de célula de combustível em que o eletrólito é um óxido de metal sólido, não poroso, tipicamente óxido de zircônio (ZrO₂) tratados com Y₂O₃, e O^2- é transportado do cátodo para o ânodo. Qualquer CO no gás reformato é oxidado a CO₂ no ânodo. As temperaturas de operação são tipicamente 800-1.000 °C.

Solução

Um ato ou o processo pelo qual uma substância sólida, líquida ou gasosa é misturada homogeneamente com um líquido ou às vezes um gás ou sólido.

Uma mistura homogênea formada por este processo, especialmente: um sistema líquido monofásico.

A condição de ser dissolvido.

Eficiência dos principais tipos de células de combustível

Eficiência máxima teórica

A eficiência energética de um sistema ou dispositivo que converte energia é medida pela relação entre a quantidade de energia útil liberada pelo sistema ("energia de saída") e a quantidade total de energia aplicada em ("energia de entrada") ou por energia de saída útil como uma porcentagem da energia de entrada total. No caso das células de combustível, a energia útil de saída é medida em energia elétrica produzida pelo sistema. A energia de entrada é a energia armazenada no combustível. De acordo com o Departamento de Energia dos EUA, as células de combustível geralmente têm entre 40 e 60% de eficiência energética. Isso é maior do que alguns outros sistemas de geração de energia. Por exemplo, o típico motor de combustão interna de um carro tem cerca de 25% de eficiência energética. As usinas a vapor geralmente atingem eficiências de 30 a 40%, enquanto as turbinas a gás de ciclo combinado e as usinas a vapor podem atingir eficiências de até 60%. Em sistemas combinados de calor e energia (CHP), o calor residual produzido pelo ciclo de energia primário - seja célula de combustível, fissão nuclear ou combustão - é capturado e usado, aumentando a eficiência do sistema para até 85–90%.

A eficiência máxima teórica de qualquer tipo de sistema de geração de energia nunca é alcançada na prática, e não considera outras etapas da geração de energia, como produção, transporte e armazenamento de combustível e conversão da eletricidade em energia mecânica. No entanto, esse cálculo permite a comparação de diferentes tipos de geração de energia. A eficiência máxima teórica de uma célula de combustível se aproxima de 100%, enquanto a eficiência máxima teórica dos motores de combustão interna é de aproximadamente 58%.

Na prática

Os valores são dados de 40% para ácido, 50% para carbonato fundido, a 60% para alcalino, óxido sólido e células de combustível PEM.

As células de combustível não podem armazenar energia como uma bateria, exceto como hidrogênio, mas em algumas aplicações, como usinas autônomas baseadas em fontes descontínuas, como energia solar ou eólica, elas são combinadas com eletrolisadores e sistemas de armazenamento para formar um sistema de armazenamento de energia. A partir de 2019, 90% do hidrogênio foi usado para refino de petróleo, produtos químicos e produção de fertilizantes (onde o hidrogênio é necessário para o processo Haber-Bosch), e 98% do hidrogênio é produzido pela reforma do metano a vapor, que emite dióxido de carbono. A eficiência geral (eletricidade para hidrogênio e de volta à eletricidade) dessas usinas (conhecida como eficiência de ida e volta), usando hidrogênio puro e oxigênio puro pode ser "de 35 a 50%' 34;, dependendo da densidade do gás e outras condições. O sistema eletrolisador/célula de combustível pode armazenar quantidades indefinidas de hidrogênio e, portanto, é adequado para armazenamento de longo prazo.

Células de combustível de óxido sólido produzem calor a partir da recombinação do oxigênio e do hidrogênio. A cerâmica pode atingir temperaturas de até 800 graus Celsius. Esse calor pode ser capturado e usado para aquecer água em uma aplicação de microcombinação de calor e energia (m-CHP). Quando o calor é captado, a eficiência total pode chegar a 80-90% na unidade, mas não considera perdas de produção e distribuição. As unidades CHP estão sendo desenvolvidas hoje para o mercado doméstico europeu.

O professor Jeremy P. Meyers, no jornal Electrochemical Society Interface em 2008, escreveu: "Embora as células de combustível sejam eficientes em relação aos motores de combustão, elas não são tão eficientes quanto as baterias, principalmente devido à ineficiência da reação de redução de oxigênio (e... a reação de evolução de oxigênio, caso o hidrogênio seja formado por eletrólise da água).... [T]eles fazem mais sentido para operação desconectada da rede, ou quando combustível pode ser fornecido continuamente. Para aplicações que exigem partidas frequentes e relativamente rápidas... onde emissões zero são um requisito, como em espaços fechados como armazéns, e onde o hidrogênio é considerado um reagente aceitável, uma [célula de combustível PEM] está se tornando uma escolha cada vez mais atraente [se a troca de baterias for inconveniente]". Em 2013, as organizações militares estavam avaliando as células de combustível para determinar se elas poderiam reduzir significativamente o peso da bateria carregada pelos soldados.

Em veículos

Em um veículo a célula de combustível, a eficiência tanque-roda é superior a 45% em cargas baixas e apresenta valores médios de cerca de 36% quando um ciclo de condução como o NEDC (New European Driving Cycle) é usado como procedimento de teste. O valor NEDC comparável para um veículo Diesel é de 22%. Em 2008, a Honda lançou um veículo elétrico de célula de combustível de demonstração (o Honda FCX Clarity) com pilha de combustível reivindicando uma eficiência de 60% do tanque à roda.

Também é importante levar em consideração as perdas devido à produção, transporte e armazenamento de combustível. Os veículos movidos a célula de combustível movidos a hidrogênio comprimido podem ter uma eficiência de 22% se o hidrogênio for armazenado como gás de alta pressão e de 17% se for armazenado como hidrogênio líquido.

Aplicativos

Tipo 212 submarino com propulsão de células de combustível. Este exemplo na doca seca é operado pela Marinha Alemã.

Poder

As células de combustível estacionárias são usadas para geração de energia primária e de backup comercial, industrial e residencial. As células de combustível são muito úteis como fontes de energia em locais remotos, como espaçonaves, estações meteorológicas remotas, grandes parques, centros de comunicações, locais rurais, incluindo estações de pesquisa e em certas aplicações militares. Um sistema de célula de combustível movido a hidrogênio pode ser compacto e leve e não ter grandes partes móveis. Como as células de combustível não possuem partes móveis e não envolvem combustão, em condições ideais elas podem atingir até 99,9999% de confiabilidade. Isso equivale a menos de um minuto de inatividade em um período de seis anos.

Como os sistemas eletrolisadores de células de combustível não armazenam combustível em si, mas dependem de unidades externas de armazenamento, eles podem ser aplicados com sucesso no armazenamento de energia em larga escala, sendo as áreas rurais um exemplo. Existem muitos tipos diferentes de células de combustível estacionárias, portanto, as eficiências variam, mas a maioria tem entre 40% e 60% de eficiência energética. No entanto, quando o calor residual da célula de combustível é usado para aquecer um edifício em um sistema de cogeração, essa eficiência pode aumentar para 85%. Isso é significativamente mais eficiente do que as usinas de carvão tradicionais, que são apenas cerca de um terço de eficiência energética. Assumindo a produção em escala, as células de combustível poderiam economizar de 20 a 40% nos custos de energia quando usadas em sistemas de cogeração. As células de combustível também são muito mais limpas do que a geração de energia tradicional; uma usina de célula de combustível usando gás natural como fonte de hidrogênio criaria menos de 30 gramas de poluição (exceto CO₂) para cada 1.000 kW·h produzidos, em comparação com 25 libras de poluentes gerados por sistemas de combustão convencionais. As células de combustível também produzem 97% menos emissões de óxido de nitrogênio do que as usinas de energia convencionais movidas a carvão.

Um desses programas-piloto está em operação na Ilha Stuart, no estado de Washington. Lá, a Stuart Island Energy Initiative construiu um sistema completo de circuito fechado: painéis solares alimentam um eletrolisador, que produz hidrogênio. O hidrogênio é armazenado em um tanque de 500 galões americanos (1.900 L) a 200 libras por polegada quadrada (1.400 kPa) e opera uma célula de combustível ReliOn para fornecer backup elétrico completo para a residência fora da rede. Outro loop de sistema fechado foi revelado no final de 2011 em Hempstead, NY.

As células de combustível podem ser usadas com gás de baixa qualidade de aterros ou estações de tratamento de águas residuais para gerar energia e reduzir as emissões de metano. Uma usina de célula de combustível de 2,8 MW na Califórnia é considerada a maior do tipo. Células de combustível de pequena escala (abaixo de 5kWhr) estão sendo desenvolvidas para uso em implantação residencial fora da rede.

Cogeração

Sistemas de célula de combustível de calor e energia combinados (CHP), incluindo sistemas de microcombinação de calor e energia (MicroCHP) são usados para gerar eletricidade e calor para residências (consulte célula de combustível doméstica), prédios de escritórios e fábricas. O sistema gera energia elétrica constante (vendendo o excesso de energia de volta à rede quando não é consumido) e, ao mesmo tempo, produz ar quente e água a partir do calor residual. Como resultado, os sistemas CHP têm o potencial de economizar energia primária, pois podem usar o calor residual que geralmente é rejeitado pelos sistemas de conversão de energia térmica. Uma faixa de capacidade típica da célula de combustível doméstica é de 1–3 kW_el, 4–8 kW_th. Os sistemas CHP ligados a chillers de absorção usam o calor residual para refrigeração.

O calor residual das células de combustível pode ser desviado durante o verão diretamente para o solo, proporcionando maior resfriamento, enquanto o calor residual durante o inverno pode ser bombeado diretamente para o edifício. A Universidade de Minnesota detém os direitos de patente desse tipo de sistema.

Os sistemas de cogeração podem atingir 85% de eficiência (40–60% elétricos e o restante como térmicos). As células de combustível de ácido fosfórico (PAFC) compreendem o maior segmento de produtos CHP existentes em todo o mundo e podem fornecer eficiências combinadas próximas a 90%. Células de carbonato fundido (MCFC) e de óxido sólido (SOFC) também são usadas para geração combinada de calor e energia e têm eficiências de energia elétrica em torno de 60%. As desvantagens dos sistemas de cogeração incluem taxas lentas de aumento e redução, alto custo e vida útil curta. Além disso, a necessidade de ter um tanque de armazenamento de água quente para suavizar a produção de calor térmico era uma séria desvantagem no mercado doméstico, onde o espaço nas propriedades domésticas é muito valioso.

Os consultores da Delta-ee declararam em 2013 que, com 64% das vendas globais, o calor e a energia microcombinados com célula de combustível ultrapassaram os sistemas convencionais em vendas em 2012. O projeto japonês ENE FARM afirmou que 34.213 PEMFC e 2.224 SOFC foram instalados em o período 2012–2014, 30.000 unidades em GNL e 6.000 em GLP.

Veículos elétricos com célula de combustível (FCEVs)

Configuração de componentes em um carro de célula de combustível

Toyota Mirai

Elemento Um veículo de célula de combustível

Automóveis

Até o final de 2019, cerca de 18.000 FCEVs foram alugados ou vendidos em todo o mundo. Três veículos elétricos com célula de combustível foram introduzidos para locação comercial e venda: o Honda Clarity, o Toyota Mirai e o Hyundai ix35 FCEV. Modelos de demonstração adicionais incluem o Honda FCX Clarity e o Mercedes-Benz F-Cell. Em junho de 2011, os FCEVs de demonstração haviam percorrido mais de 4.800.000 km (3.000.000 milhas), com mais de 27.000 reabastecimentos. Os veículos elétricos com célula de combustível apresentam um alcance médio de 505 km (314 mi) entre reabastecimentos. Eles podem ser reabastecidos em menos de 5 minutos. O Programa de Tecnologia de Células de Combustível do Departamento de Energia dos EUA afirma que, a partir de 2011, as células de combustível alcançaram 53–59% de eficiência com um quarto de potência e 42–53% de eficiência do veículo com potência máxima e uma durabilidade de mais de 120.000 km (75.000 milhas) com menos de 10% de degradação. Em uma análise de simulação Well-to-Wheels de 2017 que "não abordou as restrições econômicas e de mercado", a General Motors e seus parceiros estimaram que, para uma jornada equivalente, um veículo elétrico com célula de combustível movido a hidrogênio gasoso comprimido produzido a partir de gás natural poderia usar cerca de 40% menos energia e emitir 45% menos gases de efeito estufa do que um veículo de combustão interna.

Em 2015, a Toyota lançou seu primeiro veículo com célula de combustível, o Mirai, ao preço de US$ 57.000. A Hyundai apresentou a produção limitada Hyundai ix35 FCEV sob um contrato de arrendamento. Em 2016, a Honda começou a alugar o Honda Clarity Fuel Cell. Em 2020, a Toyota apresentou a segunda geração de sua marca Mirai, melhorando a eficiência de combustível e expandindo o alcance em comparação com o modelo Sedan 2014 original.

Críticas

Alguns comentaristas acreditam que os carros com célula de combustível de hidrogênio nunca se tornarão economicamente competitivos com outras tecnologias ou que levará décadas para se tornarem lucrativos. Elon Musk, CEO da fabricante de veículos elétricos a bateria Tesla Motors, afirmou em 2015 que as células de combustível para uso em carros nunca serão comercialmente viáveis devido à ineficiência de produção, transporte e armazenamento de hidrogênio e à inflamabilidade do gás, entre outras razões. Em 2012, Lux Research, Inc. emitiu um relatório que afirmava: "O sonho de uma economia de hidrogênio... não está mais próximo". Ele concluiu que "Custo de capital... limitará a adoção a meros 5,9 GW" até 2030, fornecendo "uma barreira quase intransponível à adoção, exceto em aplicativos de nicho". A análise concluiu que, até 2030, o mercado estacionário PEM atingirá US$ 1 bilhão, enquanto o mercado de veículos, incluindo empilhadeiras, atingirá um total de US$ 2 bilhões. Outras análises citam a falta de uma extensa infraestrutura de hidrogênio nos EUA como um desafio contínuo para a comercialização de Veículos Elétricos a Célula de Combustível.

Em 2014, Joseph Romm, autor de The Hype About Hydrogen (2005), disse que os FCVs ainda não haviam superado o alto custo de combustível, a falta de infraestrutura de entrega de combustível e a poluição causada por produzindo hidrogênio. "Seriam necessários vários milagres para superar todos esses problemas simultaneamente nas próximas décadas." Ele concluiu que a energia renovável não pode ser usada economicamente para produzir hidrogênio para uma frota FCV "agora ou no futuro" O analista da Greentech Media chegou a conclusões semelhantes em 2014. Em 2015, a CleanTechnica listou algumas das desvantagens dos veículos com célula de combustível de hidrogênio. Assim como Car Throttle. Um vídeo de 2019 da Real Engineering observou que, apesar da introdução de veículos movidos a hidrogênio, o uso de hidrogênio como combustível para carros não ajuda a reduzir as emissões de carbono do transporte. Os 95% de hidrogênio ainda produzidos a partir de combustíveis fósseis liberam dióxido de carbono, e a produção de hidrogênio a partir da água é um processo que consome muita energia. Armazenar hidrogênio requer mais energia para resfriá-lo até o estado líquido ou para colocá-lo em tanques sob alta pressão, e entregar o hidrogênio para postos de abastecimento requer mais energia e pode liberar mais carbono. O hidrogênio necessário para mover um FCV por quilômetro custa aproximadamente 8 vezes mais do que a eletricidade necessária para mover um BEV na mesma distância.

Uma avaliação de 2020 concluiu que os veículos movidos a hidrogênio ainda são apenas 38% eficientes, enquanto os VEs com bateria são 80% eficientes. Em 2021, a CleanTechnica concluiu que, embora os carros movidos a hidrogênio sejam muito menos eficientes do que os carros elétricos, a grande maioria do hidrogênio produzido polui o hidrogênio cinza, e fornecer hidrogênio exigiria a construção de uma nova infraestrutura vasta e cara, o restante duas "vantagens dos veículos com célula de combustível - maior alcance e tempos de abastecimento rápidos - estão sendo rapidamente corroídas pela melhoria da bateria e da tecnologia de carregamento". Um estudo de 2022 na Nature Electronics concordou.

Ônibus

Toyota FCHV-BUS na Expo 2005

Em agosto de 2011, havia cerca de 100 ônibus com célula de combustível em serviço em todo o mundo. A maioria deles foi fabricada pela UTC Power, Toyota, Ballard, Hydrogenics e Proton Motor. Os ônibus UTC percorreram mais de 970.000 km (600.000 mi) até 2011. Os ônibus com célula de combustível têm uma economia de combustível de 39% a 141% maior do que os ônibus a diesel e os ônibus a gás natural.

A partir de 2019, o NREL estava avaliando vários projetos de ônibus de célula de combustível atuais e planejados nos EUA.

Trens

Em 2018, os primeiros trens movidos a célula de combustível, as unidades múltiplas Alstom Coradia iLint, começaram a operar na linha Buxtehude–Bremervörde–Bremerhaven–Cuxhaven, na Alemanha. Esses trens oferecem as vantagens dos trens elétricos em relação às locomotivas a diesel e DMUs na eliminação das emissões de chaminés dos próprios trens sem o uso de eletrificação por infraestrutura catenária aérea. Esses trens foram encomendados ou estão sendo testados na Suécia e no Reino Unido.

Caminhões

Em dezembro de 2020, a Toyota e a Hino Motors, juntamente com a Seven-Eleven (Japão), FamilyMart e Lawson anunciaram que concordaram em considerar conjuntamente a introdução de caminhões elétricos leves com célula de combustível (FCETs leves). Lawson iniciou os testes para entrega em baixa temperatura no final de julho de 2021 em Tóquio, usando um Hino Dutro no qual a célula de combustível Toyota Mirai está implementada. O FamilyMart começou a testar na cidade de Okazaki.

Em agosto de 2021, a Toyota anunciou seu plano de fabricar módulos de células de combustível em sua fábrica de automontagem em Kentucky para uso em grandes plataformas de emissão zero e veículos comerciais pesados. Eles planejam começar a montar os dispositivos eletroquímicos em 2023.

Em outubro de 2021, o caminhão baseado em célula de combustível da Daimler Truck recebeu aprovação das autoridades alemãs para uso em vias públicas.

Empilhadeiras

Uma empilhadeira de célula de combustível (também chamada de empilhadeira de célula de combustível) é uma empilhadeira industrial movida a célula de combustível usada para levantar e transportar materiais. Em 2013, havia mais de 4.000 empilhadeiras de célula de combustível usadas no manuseio de materiais nos EUA, das quais 500 receberam financiamento do DOE (2012). As frotas de células de combustível são operadas por várias empresas, incluindo Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO (na Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark e Whole Foods) e H-E-B Grocers. A Europa demonstrou 30 empilhadeiras de célula de combustível com Hylift e ampliou com HyLIFT-EUROPE para 200 unidades, com outros projetos na França e na Áustria. A Pike Research projetou em 2011 que as empilhadeiras movidas a células de combustível seriam o maior impulsionador da demanda de combustível de hidrogênio até 2020.

A maioria das empresas na Europa e nos EUA não usa empilhadeiras movidas a petróleo, pois esses veículos trabalham em ambientes fechados onde as emissões devem ser controladas e, em vez disso, usam empilhadeiras elétricas. As empilhadeiras movidas a células de combustível podem oferecer vantagens em relação às empilhadeiras movidas a bateria, pois podem ser reabastecidas em 3 minutos e podem ser usadas em armazéns refrigerados, onde seu desempenho não é prejudicado por temperaturas mais baixas. As unidades FC geralmente são projetadas como substitutos imediatos.

Motos e bicicletas

Em 2005, um fabricante britânico de células de combustível movidas a hidrogênio, Intelligent Energy (IE), produziu a primeira motocicleta funcional movida a hidrogênio chamada ENV (Emission Neutral Vehicle). A motocicleta contém combustível suficiente para rodar por quatro horas e percorrer 160 km (100 mi) em uma área urbana, a uma velocidade máxima de 80 km/h (50 mph). Em 2004, a Honda desenvolveu uma motocicleta com célula de combustível que utilizava o Honda FC Stack.

Outros exemplos de motos e bicicletas que usam células de combustível de hidrogênio incluem a scooter da empresa taiwanesa APFCT usando o sistema de abastecimento da Acta SpA da Itália e a scooter Suzuki Burgman com uma célula de combustível IE que recebeu o EU Whole Aprovação do tipo de veículo em 2011. A Suzuki Motor Corp. e a IE anunciaram uma joint venture para acelerar a comercialização de veículos com emissão zero.

Aviões

Em 2003, voou o primeiro avião movido a hélice do mundo movido inteiramente por uma célula de combustível. A célula de combustível foi um projeto de pilha que permitiu que a célula de combustível fosse integrada às superfícies aerodinâmicas do avião. Veículos aéreos não tripulados movidos a célula de combustível (UAV) incluem um UAV de célula de combustível Horizon que estabeleceu a distância recorde voada para um pequeno UAV em 2007. Pesquisadores da Boeing e parceiros da indústria em toda a Europa realizaram testes de voo experimentais em fevereiro de 2008 de um avião tripulado movido uma célula de combustível e baterias leves. O avião demonstrador de célula de combustível, como era chamado, usava um sistema híbrido de célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEM)/bateria de íons de lítio para alimentar um motor elétrico acoplado a uma hélice convencional.

Em 2009, o Ion Tiger do Laboratório de Pesquisa Naval (NRL) utilizou uma célula de combustível movida a hidrogênio e voou por 23 horas e 17 minutos. As células de combustível também estão sendo testadas e consideradas para fornecer energia auxiliar em aeronaves, substituindo os geradores de combustível fóssil que eram usados anteriormente para ligar os motores e alimentar as necessidades elétricas a bordo, reduzindo as emissões de carbono. Em 2016, um drone Raptor E1 fez um voo de teste bem-sucedido usando uma célula de combustível mais leve que a bateria de íons de lítio que substituiu. O voo durou 10 minutos a uma altitude de 80 metros (260 pés), embora a célula de combustível tivesse combustível suficiente para voar por duas horas. O combustível estava contido em aproximadamente 100 pastilhas sólidas de 1 centímetro quadrado (0,16 pol. pol.) compostas por um produto químico patenteado dentro de um cartucho não pressurizado. Os pellets são fisicamente robustos e operam em temperaturas de até 50 °C (122 °F). O celular era da Arcola Energy.

O Lockheed Martin Skunk Works Stalker é um UAV elétrico alimentado por célula de combustível de óxido sólido.

Barcos

O primeiro barco certificado mundial de célula de combustível (HYDRA), em Leipzig/Alemanha

Na Noruega, a primeira balsa movida a células de combustível operando com origem líquida está programada para seus primeiros test drives em dezembro de 2022.

Submarinos

Os submarinos Type 212 das marinhas alemã e italiana usam células de combustível para permanecerem submersos por semanas sem a necessidade de emergir.

O U212A é um submarino não nuclear desenvolvido pelo estaleiro naval alemão Howaldtswerke Deutsche Werft. O sistema consiste em nove células de combustível PEM, fornecendo entre 30 kW e 50 kW cada. O navio é silencioso, dando-lhe vantagem na detecção de outros submarinos. Um documento naval teorizou sobre a possibilidade de um híbrido de célula de combustível nuclear em que a célula de combustível é usada quando são necessárias operações silenciosas e, em seguida, reabastecida do reator nuclear (e água).

Sistemas de energia portáteis

Sistemas portáteis de célula de combustível são geralmente classificados como pesando menos de 10 kg e fornecendo potência inferior a 5 kW. O tamanho do mercado potencial para células de combustível menores é bastante grande, com uma taxa de crescimento potencial de até 40% ao ano e um tamanho de mercado de cerca de US$ 10 bilhões, levando a uma grande quantidade de pesquisa a ser dedicada ao desenvolvimento de células de energia portáteis. Dentro deste mercado foram identificados dois grupos. O primeiro é o mercado de microcélulas de combustível, na faixa de 1 a 50 W para alimentar dispositivos eletrônicos menores. A segunda é a gama de geradores de 1 a 5 kW para geração de energia em maior escala (por exemplo, postos militares avançados, campos de petróleo remotos).

As células de microcombustível visam principalmente a penetração no mercado de telefones e laptops. Isso pode ser atribuído principalmente à densidade de energia vantajosa fornecida pelas células de combustível sobre uma bateria de íons de lítio, para todo o sistema. Para uma bateria, este sistema inclui o carregador, bem como a própria bateria. Para a célula de combustível, este sistema incluiria a célula, o combustível necessário e acessórios periféricos. Levando em consideração o sistema completo, as células de combustível demonstraram fornecer 530 Wh/kg em comparação com 44 Wh/kg para baterias de íon de lítio. No entanto, embora o peso dos sistemas de célula de combustível ofereça uma vantagem distinta, os custos atuais não estão a seu favor. enquanto um sistema de bateria geralmente custa cerca de US$ 1,20 por Wh, os sistemas de célula de combustível custam cerca de US$ 5 por Wh, colocando-os em uma desvantagem significativa.

À medida que as demandas de energia para telefones celulares aumentam, as células de combustível podem se tornar opções muito mais atraentes para maior geração de energia. A demanda por mais tempo em telefones e computadores é algo frequentemente exigido pelos consumidores para que as células de combustível possam começar a avançar nos mercados de laptops e telefones celulares. O preço continuará a cair à medida que o desenvolvimento das células de combustível continuar a acelerar. As estratégias atuais para melhorar as microcélulas de combustível são por meio do uso de nanotubos de carbono. Foi demonstrado por Girishkumar et al. que a deposição de nanotubos nas superfícies dos eletrodos permite uma área de superfície substancialmente maior, aumentando a taxa de redução de oxigênio.

Células de combustível para uso em operações de maior escala também são muito promissoras. Os sistemas de energia portáteis que usam células de combustível podem ser usados no setor de lazer (ou seja, trailers, cabines, marítimos), no setor industrial (ou seja, energia para locais remotos, incluindo locais de poços de gás/petróleo, torres de comunicação, segurança, estações meteorológicas) e no setor militar. A SFC Energy é um fabricante alemão de células de combustível de metanol direto para uma variedade de sistemas de energia portáteis. A Ensol Systems Inc. é uma integradora de sistemas de energia portáteis, usando o SFC Energy DMFC. A principal vantagem das células a combustível neste mercado é a grande geração de energia por peso. Embora as células de combustível possam ser caras, para locais remotos que requerem energia confiável, as células de combustível possuem grande potência. Para uma excursão de 72 horas, a comparação de peso é substancial, com uma célula de combustível pesando apenas 15 libras em comparação com 29 libras de baterias necessárias para a mesma energia.

Outras aplicações

• Fornecer energia para estações de base ou sites de células
• Geração distribuída
• Sistemas de energia de emergência são um tipo de sistema de células de combustível, que pode incluir iluminação, geradores e outros aparelhos, para fornecer recursos de backup em uma crise ou quando os sistemas regulares falham. Eles encontram usos em uma grande variedade de configurações de casas residenciais para hospitais, laboratórios científicos, data centers,
• Equipamento de telecomunicações e navios navais modernos.
• Uma fonte de alimentação ininterrupta (UPS) fornece energia de emergência e, dependendo da topologia, fornecer regulação de linha, bem como equipamentos conectados, fornecendo energia de uma fonte separada quando a energia de utilidade não está disponível. Ao contrário de um gerador de espera, ele pode fornecer proteção instantânea de uma interrupção de energia momentânea.
• Plantas de alimentação de carga base
• Veículos híbridos, emparelhando a célula de combustível com um ICE ou uma bateria.
• Notebook computadores para aplicações onde o carregamento AC pode não estar prontamente disponível.
• Docas de carregamento portáteis para pequenos eletrônicos (por exemplo, um clipe de cinto que carrega um telefone celular ou PDA).
• Smartphones, laptops e tablets.
• Pequenos aparelhos de aquecimento
• A preservação dos alimentos, alcançada pela exaustão do oxigênio e pela manutenção automática da exaustão de oxigênio em um recipiente de transporte, contendo, por exemplo, peixe fresco.
• Respiradores, onde a quantidade de tensão gerada por uma célula de combustível é usada para determinar a concentração de combustível (alcool) na amostra.
• Detector de monóxido de carbono, sensor eletroquímico.

Postos de abastecimento

Estação de abastecimento de hidrogénio.

De acordo com o FuelCellsWorks, um grupo da indústria, no final de 2019, 330 postos de abastecimento de hidrogênio estavam abertos ao público em todo o mundo. Em junho de 2020, havia 178 estações de hidrogênio disponíveis ao público em operação na Ásia. 114 deles estavam no Japão. Havia pelo menos 177 estações na Europa, e cerca de metade delas estava na Alemanha. Havia 44 estações acessíveis ao público nos EUA, 42 das quais localizadas na Califórnia.

Uma estação de abastecimento de hidrogênio custa entre US$ 1 milhão e US$ 4 milhões para ser construída.

Mercados e economia

Em 2012, as receitas da indústria de células de combustível ultrapassaram US$ 1 bilhão em valor de mercado em todo o mundo, com os países do Pacífico Asiático enviando mais de 3/4 dos sistemas de células de combustível em todo o mundo. No entanto, até janeiro de 2014, nenhuma empresa pública do setor havia se tornado lucrativa. Foram 140.000 pilhas de células de combustível enviadas globalmente em 2010, acima das 11.000 remessas em 2007, e de 2011 a 2012 as remessas mundiais de células de combustível tiveram uma taxa de crescimento anual de 85%. A Tanaka Kikinzoku expandiu suas instalações de fabricação em 2011. Aproximadamente 50% das remessas de células de combustível em 2010 foram células de combustível estacionárias, acima de cerca de um terço em 2009, e os quatro produtores dominantes na indústria de células de combustível foram os Estados Unidos, Alemanha, Japão e Coreia do Sul. A Aliança de Conversão de Energia de Estado Sólido do Departamento de Energia constatou que, em janeiro de 2011, as células de combustível estacionárias geravam energia por aproximadamente US$ 724 a US$ 775 por kilowatt instalado. Em 2011, a Bloom Energy, uma importante fornecedora de células de combustível, disse que suas células de combustível geravam energia a 9 a 11 centavos de dólar por quilowatt-hora, incluindo o preço do combustível, manutenção e hardware.

Grupos da indústria preveem que há recursos suficientes de platina para a demanda futura e, em 2007, uma pesquisa do Brookhaven National Laboratory sugeriu que a platina poderia ser substituída por um revestimento de ouro-paládio, que pode ser menos suscetível a envenenamento e, assim, melhorar a célula de combustível vida. Outro método usaria ferro e enxofre em vez de platina. Isso reduziria o custo de uma célula de combustível (já que a platina em uma célula de combustível comum custa cerca de US$ 1.500, e a mesma quantidade de ferro custa apenas cerca de US$ 1,50). O conceito estava sendo desenvolvido por uma coalizão do John Innes Center e da Universidade de Milan-Bicocca. Os cátodos PEDOT são imunes ao envenenamento por monóxido.

Em 2016, a Samsung "decidiu abandonar os projetos de negócios relacionados a células de combustível, pois as perspectivas do mercado não são boas".

Pesquisa e desenvolvimento

• 2005: Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia usaram triazol para elevar a temperatura operacional das células de combustível PEM de abaixo de 100 °C a mais de 125 °C, alegando que isso exigirá menos purificação de carbon-monóxido do combustível de hidrogênio.
• 2008: Monash University, Melbourne usou PEDOT como um cátodo.
• 2009: Pesquisadores da Universidade de Dayton, em Ohio, mostraram que as matrizes de nanotubos de carbono verticalmente crescidos poderiam ser usadas como o catalisador nas células de combustível. No mesmo ano, foi demonstrado um catalisador à base de níquel bisdifosfina para células de combustível.
• 2013: A empresa britânica ACAL Energy desenvolveu uma célula de combustível que disse que pode correr por 10.000 horas em condições de condução simuladas. Ele afirmou que o custo da construção de células de combustível pode ser reduzido para $40/kW (cerca de US $ 9.000 para 300 HP).
• 2014: Pesquisadores do Imperial College London desenvolveram um novo método para regeneração de PEFCs contaminados com sulfeto de hidrogênio. Eles recuperaram 95–100% do desempenho original de um sulfureto de hidrogênio contaminado PEFC. Eles foram bem sucedidos em rejuvenescer um SO₂ PEFC contaminado também. Este método de regeneração é aplicável a várias pilhas de células.
• 2019: Os pesquisadores do Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA desenvolveram uma célula de combustível de geração de hidrogênio em duas partes, uma parte para geração de hidrogênio e outra para geração de energia elétrica através de uma usina de hidrogênio / ar interna.