1. Células a Combustível
Ana Paula Domingos Cardoso
Priscila Lemes

2. Características Gerais
 As células a combustível (CaC) constituem
uma forma limpa, silenciosa e eficiente de
geração de eletricidade e calor a partir de
combustíveis como hidrogênio, gás natural,
metanol, etanol e outros hidrocarbonetos.
 Trata-se de um dispositivo eletroquímico que
converte diretamente energia química, a
partir de uma reação entre um combustível e
um oxidante, em energia elétrica.

3. Esquema de uma CaC

4. Tipos de CaC e características típicas
AFC SPFC/PEMFC PAFC MCFC SOFC
Membrana 62% Li2CO3 + Cerâmica
Eletrólito 85% KOH H3PO4
polimérica 38% K2CO3 + (YSZ)
Anodo
Ni Pt ou Pt/C Pt/C Ni-10%Cr Ni-YSZ
Catodo
Li-NiO Pt ou Pt/C Pt/C Li-NiO Sr-LaMnO3
Temperatura
23-250°C 70-120°C 150-220°C 600-800°C 650-1000°C
de operação
Eficiência
45-60% 40-60% 36-38% 45-60% 50-65%
Potência
<20 kW <250 kW >50 kW <2 MW <1 MW
Combustível
H2 puro H2 puro H2 livre de CO H2, CH4, CO H2, CH4, CO
Submarinos, Veículos, Estações de Estações de Estações de
Aplicação
área espacial residências energia energia energia

5. Vantagens e Desvantagens das CaC

6. O Combustível das CaC
 O grande interesse despertado pelas células a
combustível reside no fato das mesmas constituírem
o ponto chave para o ingresso na era da economia
do hidrogênio.
 O combustível das células, particularmente das
PEMFC, é o H2(g), o qual deve ser isento de
contaminantes capazes de inibir a ação dos
catalisadores presentes nos eletrodos.
 A tecnologia de produção e o custo deste
combustível é fundamental para o desenvolvimento
do mercado de células a combustível.

7. O Combustível das CaC
Obtenção mundial de H2 de acordo com a procedência
 Embora o hidrogênio constitua o elemento mais
abundante no universo, ele necessita ser obtido a
partir da água, de combustíveis fósseis ou da
biomassa e, em geral, com um consumo significativo
de energia.

8. Obtenção de Hidrogênio por Eletrólise
 A eletrólise da água para o produção de H2 apresenta
vantagens como a utilização da água e energia
elétrica disponíveis localmente, emissões nulas e
possibilidade de sinergismo com fontes renováveis.
 Apesar disso, ela é extremamente dependente do
custo da eletricidade e mais adequada para produção
de menores volumes de H2 com alta pureza.
 A produção de H2 por eletrólise não tem sido capaz
de competir com a produção a partir de unidades de
grande porte que utilizam a tecnologia de reforma a
vapor do gás natural.

9. Obtenção de Hidrogênio por Eletrólise
Comparação de custos de produção de H2 em função da
escala de produção e do preço dos principais insumos

10. Obtenção de Hidrogênio por Eletrólise
Meta Custo (US$/Kg) Custo (US$/Nm³)
Atual 6,10 0,55
2005 4,80 0,43
2010 3,50 0,32
Metas do DOE para o custo de produção de H2 a partir de eletrólise

11. Obtenção de Hidrogênio por Reforma
 O desenvolvimento de reformadores compactos,
associados a sistemas de purificação, para obtenção
de hidrogênio a partir de gás natural, metanol, etanol
ou outros hidrocarbonetos tem sido objeto de
pesquisas em diversos países.
 Embora a tecnologia de reforma esteja dominada e
seja largamente utilizada, a construção de unidades
compactas, eficientes e capazes de produzir
hidrogênio com a pureza adequada para as células a
combustível ainda constitui um desafio.

12. Obtenção de Hidrogênio por Reforma
Representação esquemática das etapas da reforma a vapor ou por oxidação parcial

13. Obtenção de Hidrogênio por Reforma
Meta Custo (US$/Kg) Custo (US$/Nm³)
Atual 5,00 0,45
2005 3,00 0,27
2010 1,50 0,14
Metas do DOE para o custo de produção de H2 a partir de reforma
de gás natural e de combustíveis líquidos

14. Outras formas de obtenção de H2
 O H2 também pode ser obtido a partir da
gaseificação ou da pirólise de biomassa
através das seguintes rotas:
 Gaseificação  Obtenção de gás de síntese
 Reforma/Purificação (“shift”)
 Pirólise  Bio-óleo  Reforma/Purificação
(“shift”)

15. Outras formas de obtenção de H2
Custo (US$/ Custo
Meta
Kg) (US$/Nm³)
Atual 3,60 0,33
2005 3,30 0,30
2010 2,60 0,23
Metas do DOE para o custo de produção de H2 a partir de gaseificação de biomassa
Custo (US$/ Custo
Meta
Kg) (US$/Nm³)
Atual 3,80 0,34
2005 3,70 0,33
2010 2,90 0,26
Metas do DOE para o custo de produção de H2 a partir de pirólise de biomassa

16. Custos Futuros
 Embora a evolução do nível de produção de CaC, em especial
de PEMFC, e a conquista de diferentes mercados seja
estimulada por suas características positivas, a real penetração
desta tecnologia no mercado de energia depende da melhoria
do desempenho destes dispositivos, da redução geral de custos
e das condições reinantes nos mercados de insumos
energéticos e de energia elétrica.
 A melhoria do desempenho das PEMFC é imprescindível para
melhorar a relação tamanho/peso (importante para aplicações
portáteis e veiculares) e incrementar a durabilidade e
confiabilidade das PEMFC de forma a torná-las compatíveis com
a demanda local por energia elétrica.

17. Custos Futuros
Participação dos diversos componentes
nos custos de produção de PEMFC para
aplicações estacionárias
Os diferentes mercados para CaC em
função do tamanho da instalação e do
custo por unidade de potência

18. Evolução Tecnológica das CaC
 A célula á combustível é uma promissora
tecnologia de geração de energia que pode
ser usada em aplicações como:
 estacionárias
 de geração de energia distribuída
 veiculares

19. Evolução Tecnológica das CaC
 Vantagens:
 ter um baixo ou nenhum impacto ambiental
 elevada eficiência (atualmente de 40 á 50% ,
mas pretensão de 60%)
 flexibilidade (utilidade e uso de combustíveis)
 baixa exigência de manutenção
 reduzido tempo de resposta a solicitações de
carga
 potencial para a co-geração

20. Evolução Tecnológica das CaC
 Desvantagens:
 não estarem disponíveis comercialmente
(exceto as CaC de ácido fosfórico que operam
com gás natural e as células poliméricas que
operam com hidrogênio)
 elevado custo (por isso são encontradas
somente em aplicações específicas como na
exploração espacial e atividades militares).

21. Evolução Tecnológica das CaC
 A partir de 1960 com o início da exploração
espacial que as CaCs tiveram um
desenvolvimento considerável para possíveis
aplicações de fornecimento de energia de
qualidade, confiabilidade em módulo e
cápsulas espaciais.

22. Evolução Tecnológica das CaC
 O desenvolvimento dos diversos tipos de CaC tem
sido desigual;
 Alguns modelos até desapareceram (CaC a carvão
direto);
 Outras tem um desenvolvimento limitado devido a
problemas de durabilidade ou sensibilidade a
contaminantes (CaCs alcalinas que precisam de
hidrogênio puro);
 Há tecnologias como as da célula de membrana
polimérica , as células de óxido de sólido e células
de carbono fundido que se encontram em
desenvolvimento acelerado e já começaram a entrar
no mercado sob a forma de protótipos .

23. Evolução Tecnológica das CaC
 Barreiras à Evolução:
 O custo é uma barreira ao processo de evolução
pois para serem competitivas as CaC precisariam ter
um custo energético de US$400,00 que é o custo
mais eficiente das turbinas á gás e de geradores a
diesel.
 As CaC produzidas geram um valor de 10 vezes o
custo ideal.

24. Evolução Tecnológica das CaC
 Barreiras à Evolução:
 Número de fabricantes de componentes e de
unidades (hoje há 15 fabricantes das células
poliméricas e 10 fornecedores do conjunto
membrana eletrodo, sendo que a membrana
representa 76% dos custos totais do processo).
 Receptividade Social (sociedade conscientizada do
uso da CaC como uma tecnologia limpa de geração
de energia).

25. Evolução Tecnológica das CaC
 Barreiras à Evolução:
 Situação dos mercados de energia elétrica e de
insumos (as condições de mercado que variam com a
estrutura econômica e com as políticas energéticas
de cada país, no caso do Brasil as indefinições na
política energética constituem barreiras ao
desenvolvimento).
 Competição entre os diferentes tipos de CaC (as
poliméricas acabam tendo mais incentivo ao
desenvolvimento devido ao seu uso em aplicações na
indústria automobilística).

26. Evolução Tecnológica das CaC
 Barreiras à Evolução:
 Necessidade de melhorias de eficiência
(eletroquímica, energética, global ou desempenho).
 Vida útil (necessidade de melhoria no tempo de vida
útil).
 Melhoria na tolerância a contaminantes e ao tipo de
combustível primário.

27. O que já Existe em termos de
CaC
Em termos de potência as CaC dividem-se em:
 1 a 10kW: para residências, unidades auxiliares de
potência em veículos e embarcações.
 10 a 50kW :para prédios residenciais, condomínios.
 50 a 250kW:prédios comerciais, hospitais,instalações
militares.
 acima de 250kW:para grandes consumos associados
a co-geração.

28. O que já Existe em termos de CaC
Aplicações Existentes:
 As CaCs de ácido fosfórico são
comercializadas desde os anos 90 pela
empresa UTC Fuel Cells dos Eua.
 Hoje já existem 250 unidades implantadas e
testadas no mundo.

29. O que já Existe em termos de CaC
CaC de ácido fosfórico instalada no LATEC em Curitiba, unidade de
200kW de potência, seu custo é de US$900.000,00, ou seja,
US$ 4.500,00/kW. A eficiência é de 38%.

30. O que já Existe em termos de CaC
 As CaC também têm sido um amplo campo
de pesquisa nos EUA,onde a meta é produzir
CaCs de 10kW de potência, com eficiência de
40 á 60%, a um custo de US$400,00/kW até
2010.
 Espera-se que estas células cheguem á um
preço de consumo de US$ 1.000,00 até 2010.

31. O que já Existe em termos de CaC
 A Sanyo Electric recentemente lançou um
sistema de CaC que excede 20.000h de
operação. Mas para que a CaC se torne
competitiva em termos de vida útil com os
geradores convencionais o valor de operação
precisa ser de 40.000h.

32. O que já Existe em termos de CaC
Ônibus protótipo produzido em SP pela busscar que usa como combustível
hidrogênio ao invés do diesel.

33. O que já Existe em termos de CaC

34. O Mercado de Energia
Atualmente as contribuições de energia em
escala mundial são:
 carvão: 39,1%
 produtos de petróleo: 7,9%
 gás natural: 17,4%
 geração nuclear: 16,9%
 geração hidroelétrica: 16,7%
 outras formas: 2%

35. O Mercado de Energia
 No Brasil a geração de energia elétrica vêm
91% de recursos hídricos, mas devido á
necessidade de economia de água surge a
necessidade de outras fontes alternativas de
energia.

36. Geração Distribuída
 A geração de energia distribuída ou
descentralizada vem a ser a geração de
energia elétrica em unidades de pequeno
porte, localizados no ponto de carga ou
próximo a ele, esta vem a ser a área mais
promissora para o uso da células a
combustível (em especial na produção de
energia elétrica de 2 a 200kW).

37. Principais Benefícios Ambientais
 Diminuem a dependência de petróleo para produzir
energia.
 Emitem menos gases causadores do efeito estufa
(tem como subprodutos apenas oxigênio e água).
 Mais eficiência na geração de energia e no consumo
da fonte energética.
 Redução de baterias nos aterros sanitários.

38. Situação do Brasil
 O Brasil tem um grande potencial para
referência em tecnologia com hidrogênio,
devido a sua capacidade hidráulica e sucro-
alcooleira podendo produzir hidrogênio para
seu consumo a exportação no uso das
células a combustível.