Uma célula de combustível é uma célula na qual a geração de uma voltagem elétrica ocorre em virtude da oxidação em um eletrodo de um combustível redutor (por exemplo, dihidrogênio ) juntamente com a redução no outro eletrodo de um oxidante. , Como o oxigênio em o ar .
O efeito da célula de combustível foi descoberto pelo alemão Christian Schönbein em 1839 . O primeiro modelo de laboratório de célula de combustível foi produzido por William R. Grove nos três anos seguintes. Em 1889, Ludwig Mond e Carl Langer deram à célula combustível seu nome e sua forma atual. Francis T. Bacon retomou os estudos da célula de combustível em 1932 e produziu um primeiro protótipo de 1 kW em 1953, depois de 5 kW em 1959. Este protótipo servirá como modelo para futuras células de combustível usadas durante as missões espaciais da Apollo .
O muito longo intervalo de tempo (mais de um século) que decorreu entre a realização do primeiro modelo de célula a combustível e as primeiras utilizações é explicado pelo desenvolvimento muito forte experimentado por outros tipos de geradores de célula a combustível, energia elétrica e o fato de que o o custo dos materiais usados na célula a combustível ainda é alto.
Uma célula de combustível é um gerador no qual a produção de eletricidade é feita através da oxidação em um eletrodo de um combustível redutor (por exemplo, dihidrogênio ) juntamente com a redução no outro eletrodo de um oxidante, como o oxigênio do ar. A reação de oxidação do hidrogênio é acelerada por um catalisador que geralmente é platina . Se outras combinações forem possíveis, a bateria mais comumente estudada e usada é a célula de combustível de hidrogênio - dioxigênio ou hidrogênio-ar (isso é explicado em particular pela abundância de recursos de hidrogênio na Terra e a facilidade de produção de hidrogênio).
Desde 1977, algumas baterias (usadas em satélites) contêm membranas poliméricas (ácido sólido ou eletrólito alcalino) tornadas condutoras, assumindo a forma de uma fina membrana separando os dois eletrodos. Esses polímeros contêm platina . Por ser um metal raro, poluente e caro, procuramos alternativas; testar, por exemplo na China, um polímero ( polissulfona ou polissulfona com amônio quaternário ) com um cátodo (lado oxigênio) em prata e um ânodo (lado hidrogênio) em níquel banhado a cromo .
Em 2010, pesquisadores americanos e alemães propuseram a integração de um catalisador adicional, mais barato e que poderia reduzir pela metade a quantidade de platina nas células a combustível da Nature Chemistry ; são nanoesferas construídas com átomos de platina e cobre , dos quais as partículas de cobre são então parcialmente extraídas, deixando uma espécie de nanoconcha de platina com alguns átomos de espessura. O método de produção dessas nanoesferas diminui sua capacidade de ligação ao oxigênio, o que promove a formação de água, tornando a célula mais produtiva. De acordo com essa equipe, isso poderia reduzir o preço das células a combustível em 80%. Este processo pode ser aplicado a outros metais para produzir outros tipos de catalisadores que podem, por exemplo, permitir a produção de hidrogênio e oxigênio a partir da água como armazenamento químico da energia elétrica produzida por turbinas eólicas ou painéis solares, antes de devolvê-la na forma de eletricidade.
Em 2012, a empresa israelense CellEra disse ter projetado uma célula a combustível de membrana que não usa platina, usando um eletrólito de polímero sólido que conduz íons de hidróxido (HO - ) em meio alcalino. Esta empresa entrou com dez patentes relacionadas a esta técnica.
A operação de uma célula de hidrogênio - dioxigênio é particularmente limpa, pois ela produz apenas água e consome apenas gases . Mas até 2010, a fabricação dessas baterias era muito cara, principalmente por causa da quantidade significativa de platina necessária e do custo de troca de íons de membranas .
Parte do desafio de usá-lo como portador de energia é a síntese, armazenamento e fornecimento de hidrogênio. Embora o hidrogênio seja abundante na Terra, quase sempre está combinado com o oxigênio (H 2 O, ou seja, água), enxofre ( sulfeto de hidrogênio , H 2 S), carbono ( gás natural ou petróleo ), etc.
A eficiência geral, que é a relação entre a quantidade de eletricidade produzida pela célula de combustível de hidrogênio e a quantidade de eletricidade gasta na eletrólise para sintetizar o hidrogênio, é bastante baixa.
Um grupo gerador permite uma eficiência de 25% e uma célula de combustível de hidrogênio pode atingir 50 a 60% de eficiência elétrica, ou mais se houver a necessidade de recuperação de calor, mas os rendimentos de energia cumulativos da síntese de dihidrogênio e da compressão ou liquefação ainda estão bastante baixos. Aqui, o hidrogênio não é uma fonte de energia primária; é um vetor de energia .
O retorno de um automóvel seria de 35%. De acordo com a Agência de Gestão de Energia e Meio Ambiente , a eficiência geral da cadeia de eletricidade-hidrogênio-eletricidade é de cerca de 25%.
O princípio da célula de combustível é o reverso da eletrólise . A reação química produzida pela oxidação e o encontro dos gases produz eletricidade, água e calor. O funcionamento da célula a combustível requer o fornecimento de combustível, sendo o mais utilizado o hidrogênio. Uma célula de combustível produz uma tensão elétrica de cerca de 0,7 a 0,8 V , dependendo da carga ( densidade de corrente ) e produz calor. Sua temperatura de operação varia de 60 a 1050 ° C dependendo do modelo. A água é geralmente descarregada na forma de vapor com o excesso de oxigênio.
Existem vários tipos de células de combustível, sendo as mais famosas:
Uma célula de combustível de membrana de troca de prótons compreende:
Hidrogênio na forma diatômica (dihidrogênio H 2) entra pela placa bipolar à esquerda na figura.
Chegado ao ânodo, ele se dissocia em íons (H + ) e elétrons (e - ) de acordo com a equação 2 H 2= 4 H + + 4 e - . Os íons então atravessam a membrana, mas os elétrons, bloqueados, são forçados a tomar um circuito externo, que vai gerar uma corrente elétrica.
No cátodo, íons de hidrogênio, elétrons e oxigênio (puro ou do ar) se encontram para formar água de acordo com a reação: 4 H + + 4 e - + O 22 = H 2 O. Água e oxigênio passam pela placa bipolar direita. Esta reação também produz calor que pode ser recuperado.
Célula de óxido sólidoO princípio é semelhante. A única diferença é que a membrana de troca de prótons é substituída por outra membrana chamada de “membrana de óxido sólido”. As moléculas na célula de combustível não reagirão da mesma maneira:
Mas esse tipo de célula não é mais eficiente que a célula de membrana de troca de prótons, ela só funciona em temperaturas muito altas (em torno de 600 a 800 ° C ) e sua fabricação é mais cara para células de baixa potência. Portanto, eles são reservados para aplicações específicas que requerem alta potência.
Existem dois tipos de células a combustível de metanol:
Ao contrário das baterias que utilizam hidrogênio, estas só podem ser "limpas" se a origem desse metanol for renovável, pois emitem CO 2.e até mesmo CO .
Modelo | Eletrólito | Ions implementados | Gás / líquido no ânodo | Gás cátodo | Poder | Operação de temperatura |
Eficiência elétrica |
Maturidade | Campo |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
AFC - Alcalino | Hidróxido de potássio | HO - | hidrogênio | oxigênio | 10 a 100 kW | 60 a 90 ° C | Apenas bateria: 60-70% Sistema: 62% |
Comercializado / Desenvolvimento | Portátil, transporte |
DBFC - hidreto de boro direto | Membrana de próton
Membrana aniônica |
H + HO - |
NaBH 4 líquido | oxigênio | 250 mW / cm 2 | 20 a 80 ° C | 50% célula única | Desenvolvimento | portátil <20 W |
PEMFC - membrana de troca de prótons | Membranas de polímero Nafion-PBI | H + | hidrogênio | oxigênio | 0,1 a 500 kW | 60 a 220 ° C | Bateria: 50-70% Sistema: 30-50% |
Comercializado / Desenvolvimento | portátil, transporte, estacionário |
DMFC - metanol direto | Membrana de polímero | H + | metanol | oxigênio | mW a 100 kW | 90 a 120 ° C | Bateria: 20-30% | Comercializado / Desenvolvimento | transporte, estacionário |
DEFC - etanol direto | 90 a 120 ° C | Desenvolvimento | |||||||
FAFC - ácido fórmico | 90 a 120 ° C | Desenvolvimento | |||||||
PAFC - ácido fosfórico | Ácido fosfórico | H + | hidrogênio | oxigênio | até 10 MW | cerca de 200 ° C | Bateria: 55% Sistema: 40% |
Desenvolvimento | transporte, estacionário |
MCFC - carbonato fundido | Carbonato de metal alcalino | CO 32− | hidrogênio , metano , gás de síntese | oxigênio | até 100 MW | cerca de 650 ° C | Bateria: 55% Sistema: 47% |
Desenvolvimento / Marketing | estacionário |
PCFC - cerâmica protonante | 700 ° C | Desenvolvimento | |||||||
SOFC - óxido sólido | Cerâmica | O 2− | hidrogênio , metano , gás de síntese | oxigênio | até 100 MW | 800 a 1050 ° C | Bateria: 60-65% Sistema: 55-60% |
Desenvolvimento | estacionário |
Os principais campos de aplicação são:
Em 2017, no Fórum Econômico Mundial em Davos, é criado o Conselho do Hidrogênio (in) , uma empresa líder global na iniciativa do setor de energia, transporte e indústria para desenvolver a economia do hidrogênio e da célula de combustível.
Os Estados Unidos estão desenvolvendo inúmeros projetos apoiados pelo governo, às vezes apresentados como uma das principais soluções contra o aquecimento global .
CanadáNo Canadá , o National Research Council of Canada's Fuel Cell Innovation Institute (NRC-IIPC) foi estabelecido emSetembro de 2006mais de 6.500 m 2 , em British Columbia (UBC), no cluster de tecnologia da região de Vancouver, um piloto nesta área. Seu objetivo é desenvolver a indústria de hidrogênio e células de combustível no Canadá. É uma plataforma de demonstração e também de pesquisa, que também abriga o Vancouver Fuel Cell Vehicle Program, bem como o British Columbia Hydrogen Highway Project, apoiado por laboratórios dedicados, fornecimento de hidrogênio e técnicas integradas de células de combustível. O local possui bombas geotérmicas e meios fotovoltaicos para a produção de hidrogênio.
EuropaEm 2008, a Europa adoptou um quadro (regulamento europeu) para o desenvolvimento de veículos a hidrogénio (como combustível), mas também apoia projectos de investigação em células de hidrogénio.
FrançaNa França , ADEME , EDF e CEA instalaram uma rede "Fuel Cell" (PACo) em25 de junho de 1999liderado por Catherine Ronge, Diretor de P&D da Air Liquide e Roger Ballay, Diretor Adjunto de Pesquisa da EDF, co-liderado pela ADEME e a Comissão de Energia Atômica ( CEA ). As missões desta rede eram acelerar a investigação sobre a célula a combustível identificando obstáculos tecnológicos, conduzir a comunidade científica em torno de um centro de especialização susceptível de promover e divulgar o avanço da investigação, desenvolver parcerias sector público-privado e uma reflexão prospectiva no desenvolvimento dessas técnicas.
Em 2005, a rede francesa PACo foi substituída pelo programa PAN-H (Plano de ação sobre hidrogênio e células a combustível, 2005-2008) da ANR ( Agência Nacional de Pesquisa ), seguido pelo programa HPAC (Hidrogênio e células a combustível) entre 2009 e 2010. Os vários eixos de investigação dos programas Pan-H e HPAC foram posicionados - ou reposicionados - em 2010 nos programas PROGELEC (produção e gestão de energia eléctrica renováveis) e TTD (Transporte terrestre sustentável) da ANR.
No norte da França, o laboratório de nanotecnologia do Instituto de Eletrônica, Microeletrônica e Nanotecnologia realizado emMaio de 2009uma célula de combustível muito pequena (5 × 3,6 mm ).
Na Martinica , um sistema de célula de combustível de hidrogênio chamado Cleargen foi inaugurado em5 de dezembro de 2019pela Société anonyme de la raffinerie des Antilles (SARA). A bateria, fornecida pela Hydrogen de France (HDF), usa o processo de eletrólise reversa da água para produzir eletricidade a partir do hidrogênio e do oxigênio; usará o excesso de hidrogênio produzido pela refinaria para abastecer a rede elétrica da ilha, sob demanda, com potência de um megawatt, que pode abastecer cerca de 2.000 residências.
JapãoSomente em 2007 , sob a égide do Japão , se iniciou uma reflexão sobre normas, regras e padrões de fabricação e segurança, de modo a facilitar o uso generalizado de células a combustível, ou células a combustível de hidrogênio.
Na verdade, alguns anos antes, por iniciativa do primeiro-ministro Koizumi , era possível em pouco mais de 24 meses:
O Japão espera, portanto, reduzir em 50% suas emissões de dióxido de carbono associadas a pequenos eletrônicos, oferecendo também baterias cuja autonomia seria multiplicada por três.
O uso de células de combustível de hidrogênio no automóvel é baseado em vários esquemas:
O primeiro modelo é o Sequel. A célula de combustível de hidrogênio de 73 kW é fornecida por três tanques de hidrogênio composto em espiral de 700 bar (2005). O segundo é o Chevy Volt: conceito apresentado emjaneiro de 2007no Salão do Automóvel de Detroit (Estados Unidos). O terceiro modelo é o Hydrogen 4 apresentado na6 de março de 2008o 78 º Salão Internacional do Automóvel em Genebra (Suíça). A célula de combustível GM HydroGen4 consiste em 440 células conectadas em série. Todo o sistema oferece uma potência elétrica de até 93 kW alimentando um motor elétrico síncrono de 73 kW ou 100 cv . Ele permite que o HydroGen4 cruze de zero a 100 km / h em cerca de 12 segundos. O HydroGen4 possui um sistema de armazenamento composto por três tanques de alta pressão de 700 bar feitos de fibra de carbono, que podem conter 4,2 kg de hidrogênio. Isso permite um alcance de até 320 km .
BMWExemplos de modelos produzidos: protótipo i8 de 2015 (bateria Toyota Mirai), protótipo i Hydrogen NEXT desenvolvido com base em um X5 e apresentado no Salão Automóvel de Frankfurt 2019 . Em seu comunicado de imprensa apresentando o protótipo, a BMW anuncia que este protótipo na verdade prefigura uma pequena série que seria apresentada em 2022, para que então, o mais cedo possível em 2025, outros veículos serão oferecidos conforme a necessidade do mercado e da situação geral.
Mercedes-BenzO carro-conceito Ener-G-Force movido a célula de combustível com tanques de água montados no teto foi apresentado na feira de Los Angeles em 2012. Foi construído o NECAR e o F-Cell: todos uma família de veículos com diferentes tipos de combustível (hidrogênio gasoso, metanol, etc. ). Até o momento (2010), a Daimler construiu o maior número de veículos usando uma célula de combustível (mais de cem). A Mercedes anunciou a produção em massa para o público em geral do hidrogênio Classe B F-Cell em 2017.
HummerO Hummer O2 é um carro-conceito todo-o-terreno.
Protótipos CityjouleEste é um carro experimental da Universidade de Nantes, cujo coeficiente de arrasto C x é anunciado em 0,11 em 2013.
GreenGTO GreenGT H2 é o primeiro protótipo de competição elétrico-hidrogênio, a gênese do GreenGT H2 começa em 2009. É apresentado oficialmente em2 de junho de 2012como parte do dia de treinos das 24 Horas de Le Mans . É então não rolante e recebe uma pintura preta e laranja. O27 de junho de 2015, é o tema de uma primeira apresentação pública dinâmica no circuito Paul-Ricard como parte da rodada francesa da Copa do Mundo para carros de turismo . Ostentando uma nova pintura azul clara e branca, era então pilotado por Olivier Panis , ex- piloto de Fórmula 1 e vencedor do Grande Prêmio de Mônaco de 1996 na Ligier-Mugen-Honda. A convite da Michelin , ela deu uma segunda demonstração, na abertura da primeira Fórmula E Paris ePrix , o23 de abril de 2016. O26 de junhono final do dia, durante as 24 Horas de Le Mans 2016 e ainda pilotado por Olivier Panis, torna-se o primeiro carro movido por um motor elétrico a hidrogênio a completar uma volta no circuito motorizado de Sarthois. Dois dias depois, o28 de junho, o H2 e seu piloto repetem sua demonstração pouco antes do início da corrida. A potência do GreenGT H2 , equipado com dois motores elétricos, é 2 × 200 kW a 1350 rpm , ou 544 hp
A velocidade H2 nasceu a pedido do coachbuilder italiano Pininfarina , o H2 velocidade é apresentado à 86 ª Exposição Internacional de Genebra Motor em1 ° de março de 2016. É apresentado em conjunto por Jean-François Weber (cofundador, acionista e diretor de pesquisa e desenvolvimento da GreenGT), Fabio Filippini (diretor de estilo da Pininfarina), Silvio Angori (presidente e CEO da Pininfarina) e Paolo Pininfarina (presidente da Grupo Pininfarina). Na ocasião, a revista americana Autoweek , em sua edição de21 de março de 2016, concedeu-lhe o Prêmio de Melhor Conceito , um prêmio que premia a cada ano o carro-conceito mais bonito da feira, designando-o como “o carro de emissão zero mais rápido de todos os tempos” . Seus rivais eram o Sbarro Prom, o Italdesign GTZERO e o Morgan EV3. O30 de março de 2016, o H2 Speed é apresentado, a seu pedido, a Albert II, Príncipe de Mônaco , atento às tecnologias de desenvolvimento sustentável. No final desta apresentação, um fato de piloto nas cores GreenGT é entregue ao soberano do Mónaco. É bordado com o seu nome como um convite para vir experimentar o H2 Speed . Os 21 e22 de maio, ela participa do concurso de elegância da Villa d'Este de Cernobbio na Itália então, de 8 a12 de junho de 2016, no Salão Automóvel de Turim . O H2 Speed foi então apresentado duas vezes pela Michelin, parceira de pneus da GreenGT, por ocasião de eventos automobilísticos internacionais, pela primeira vez na França durante as 24 Horas de Le Mans 2016, de 15 a19 de junho, e o segundo na Grã-Bretanha, no Goodwood Festival of Speed, uma semana depois.
SuzukiEm colaboração com a General Motors, ele construiu o protótipo de carro Mr Wagon FCW . A célula a combustível de hidrogênio é alimentada por hidrogênio contido em tanques a 700 bar.
MichelinUm protótipo de carro Hy-light movido por uma célula de combustível de hidrogênio foi apresentado emMarço de 2005. A célula é alimentada por hidrogênio a partir de três cilindros enrolados compostos de alta pressão,
O fabricante também construiu um protótipo de carro Hy-light 2 movido a uma célula de combustível. Foi apresentado emsetembro de 2007. Comparado com o HY-luz, a 2 ª geração tem baterias e supercapacitores,
O F-City H2 é o primeiro carro francês a receber a homologação rodoviária das autoridades francesas. Este veículo é o resultado da colaboração entre a Michelin e a FAM Automobiles (que desde então se tornou a France Craft Automobiles). Para isso, a Michelin projetou um pacote de células de combustível de hidrogênio compacto, mas completo, incluindo o tanque de hidrogênio de 350 bar que substitui o compartimento da bateria da versão elétrica do F-City.
PSAO fabricante construiu um demonstrador TAXI PAC, uma célula de combustível alimentada por um rack (intercambiável) de cilindros de hidrogênio pressurizado, um demonstrador de H2O, um motor de bombeiros com um extensor de alcance de célula de combustível com geração de hidrogênio in situ . Usando tetrahidruroborato de sódio , um QUARK demonstrador, um quadriciclo de células de combustível que compreende um motor elétrico em cada uma das quatro rodas, um demonstrador 207 CC Epure que compreende a célula de combustível resultante do programa GENEPAC. PSA colaborou no projeto GENEPAC (2002-2006) com o CEA para uma célula de combustível de hidrogênio tipo PEMFC de 80 kW ,
Renault -NissanEm 2008, o fabricante apresentou o protótipo de célula a combustível Renault Scénic ZEV H2.
VenturiO Venturi Buckeye Bullet 2 quebra o recorde de velocidade da FIA para um veículo elétrico movido a célula de combustível: 487 km / h . É o primeiro veículo elétrico a cruzar a barreira simbólica de 300 mph (mais de 480 km / h ).
SymbioFCellO HyKangoo é construído com base em um Kangoo ZE com evolução para um veículo elétrico com extensor de alcance, bateria de 5 kW e pequeno armazenamento de hidrogênio, apresentado no Salão Automóvel de Paris 2012. Veículo em exposição no Solvay de Tavaux site .
Carros de produção FordO modelo produzido é o Focus FCV.
HondaO Honda FCX Clarity é o primeiro carro de produção, comercializado (alugado) no Japão e nos Estados Unidos (Estado da Califórnia). É um veículo de cinco lugares, equipado com tanque com pressão de 350 bar.
A Honda também produziu o Honda CR-X.
HyundaiTucson FCEV é um carro híbrido. A célula de combustível de hidrogênio de 80 kW é alimentada por um cilindro de gás composto enrolado.
O iX35 FCEV é uma nova geração do Tucson FCEV que poderia começar a ser comercializado em alguns territórios específicos com uma infraestrutura de enchimento de hidrogênio adequada. A Hyundai anuncia uma autonomia de 564 km e o preço de um depósito cheio rondaria os 56 euros. Uma parceria de tecnologia foi anunciada emjunho de 2018com a Audi (uma subsidiária da Volkswagen , sabendo que a Alemanha lançou um programa visando 400 estações de serviço de distribuição de hidrogênio antes de 2023. Na França, em 2018, uma frota de táxis Hype funciona com hidrogênio (incluindo 60 modelos Hyundai).
Nikola Motor Companya 3 de maio de 2018, A Anheuser-Busch emitiu um pedido de compra de até 800 caminhões para entregar cerveja aos Estados Unidos.
ToyotaO fabricante produziu um carro de cinco lugares FCHV-4 e um ônibus FCHV-US1. Esses programas foram apresentados pela primeira vez em 2001. Eles apresentam uma célula a combustível de hidrogênio de 90 kW . Toyota anuncia emJunho de 2009para 2015 está à venda o desenvolvimento de carros elétricos inteiramente baseados em células de combustão (ao contrário de hoje onde os carros elétricos são alugados). Dentrojunho de 2014, Toyota confirma marketing no Japão por abril de 2015seu primeiro sedã com célula de combustível, o Mirai , a um preço muito mais baixo do que os observadores esperavam; também será oferecido no verão de 2015 nos Estados Unidos e em alguns países europeus equipados com estações de carregamento, como a Suécia; A Toyota espera vender dezenas de milhares desses carros por ano na próxima década. O Toyota Mirai foi lançado em 2014.