Direcionamentos da tecnologia industrial de células a combustível de óxidos sólidos

Abstract

Recebido em 4/4/06; aceito em 16/3/07; publicado na web em 17/7/07 DIRECTIONS OF THE INDUSTRIAL DEVELOPMENT OF THE SOLID OXIDE FUEL CELLS TECHNOLOGY. This manuscript shows an overview of the solid oxide fuel cell (SOFC) technology based on industrial developments. The information presented has been collected mostly at conferences that the authors attended. It is observed that several companies have been pursuing the development of the SOFC technology. Significant advances in stability and power density have raised the economic interest in this technology recently. It is revealed that the SOFC materials are essentially the same ones that have been used in the past decades, and that the two most important designs of pre-commercial SOFC prototypes are the tubular and planar ones.Keywords: solid oxide fuel cell; industrial development; energy production. INTRODUÇÃOAs células a combustível de óxidos sólidos (CCOS, SOFC -"Solid Oxide Fuel Cell") são os dispositivos conhecidos mais eficientes para a conversão eletroquímica de um combustível em energia elétrica 1 . O funcionamento destes dispositivos baseia-se nos princípios eletroquímicos das células a combustível, onde a energia química de um combustível é convertida diretamente em energia elétrica, sem os limites impostos pelo ciclo de Carnot às má-quinas térmicas 2 . Nas CCOS as reações eletroquímicas de oxidação do combustível e de redução do oxidante ocorrem na interface gás (combustível ou oxidante) condutor eletrônico/condutor iônico, chamada de contorno de fase tripla ou tripla fase reacional. Uma célula unitária de óxidos sólidos consiste, essencialmente, de dois eletrodos porosos (catodo e anodo) separados por um eletrólito sólido denso. No anodo o combustível é oxidado, reagindo com os íons oxigênio provenientes do eletrólito, liberando elétrons e formando água. Os elétrons produzidos no anodo são transportados pelo circuito externo até o catodo onde o oxigênio é reduzido e os íons formados atravessam o eletrólito em direção ao anodo, completando a reação. O trabalho elétrico é realizado pelos elétrons do circuito externo. Na Figura 1 são apresentados o esquema de funcionamento e a reação global de uma CCOS.Considerando-se a geração de energia distribuída, a CCOS apresenta diversas vantagens em relação a outras tecnologias concorrentes, como motores a diesel e microturbinas a gás, ou mesmo outros tipos de células a combustível. Na Figura 2 é mostrado um diagrama comparativo de algumas propriedades de sistemas de geração (estacionária) de energia elétrica. Pode-se observar que as CCOS são os dispositivos que apresentam maiores eficiências e menores emissões de poluentes comparativamente às outras tecnologias. Entretanto, o principal fator que inibe a comercialização destes dispositivos ainda é o elevado custo da tecnologia.Entre as diferentes tecnologias de células a combustível, a CCOS destaca-se por ser o único dispositivo inteiramente no estado sóli-do. Outra importante característica que diferencia as CCOS das

Prototipagem rápida de pilhas a combustível de óxido sólido

“…Figura 6: Diagrama esquemático de uma célula unitária de PaCOS planar: (a) suportada no eletrólito, (b) suportada no anodo [6].…”

“…Em todos os casos o eletrólito, em geral a base de zircônia estabilizada com ítria (ZEI), deve ser denso, com espessuras variáveis: ~150 m no caso de células suportadas no eletrólito (Figura 6a) ou ~10 m para células suportadas no anodo [6]. Já os anodos (geralmente ZEI com adição de níquel) e os catodos (usualmente a base de manganita de lantânio dopada com estrôncio) devem ser porosos para permitir a passagem de gases combustíveis e de produtos de combustão, respectivamente [27].…”

“…Já os processos de deposição incluem recobrimento por imersão (dip coating), recobrimento sob rotação (spin coating), pirólise por jateamento (spray pirolysis), eletroforese, colagem a vácuo (vacuum casting), entre outros [6].…”

“…A seleção do tipo de configuração de fluxo influencia de maneira importante a distribuição de temperatura e de corrente nas pilhas [6]. Um esquema de PaCOS planar, por exemplo, chamada de monobloco, se baseia em um eletrólito corrugado sobre o qual são depositadas as camadas de eletrodos (Figura 7).…”

“…As células a combustível com base em materiais cerâmicos são os dispositivos conhecidos mais eficientes para a conversão eletroquímica de um combustível em energia elétrica [6]. Comparativamente às células a combustível de baixa temperatura, em particular às com base em polímeros, as células ou pilhas a combustível de óxido sólido (PaCOS) operam a temperaturas mais altas, sem a necessidade de catalisadores mais caros, e podem fazer uso de combustíveis alternativos como gás natural e etanol [7].…”