Desenvolvimento de umidificador e separador de CO2 para célula a combustível de membrana alcalina

Abstract

Células a combustível são considerados dispositivos para geração de energia limpa, já que usam hidrogênio como combustível, sendo o produto da reação, energia elétrica, água e calor. Além disso, algumas células de combustível operam a baixas temperaturas; tratando-se deste caso, um dos maiores desafios relacionado à transferência da tecnologia é o desenvolvimento das membranas. Nesse sentido, desenvolveu-se um sistema umidificador e separador de CO2 para aplicação em um protótipo de célula a combustível de membrana alcalina baseada em celulose. Os dois principais problemas desse tipo de célula quando operam com ar são: i) o envenenamento da célula pelo CO2 presente no ar, e ii) a desidratação da membrana celulósica que suporta a solução aquosa de KOH (eletrólito). O objetivo desse trabalho foi desenvolver um sistema para resolver esses dois problemas. Dessa forma, testou-se uma possível configuração de umidificador capaz de absorver o CO2 do ar. O desempenho da célula a combustível alcalina foi avaliado a partir de curvas de polarização e curvas de potência. A separação do CO2 mostrou-se necessária desde a primeira fase de operação da célula, a qual apresentou efeitos do envenenamento por CO2 desde o início da operação. O efeito do umidificador também pode ser observado ao longo do tempo de funcionamento da célula, quando a membrana começou a sofrer desidratação dificultando a mobilidade dos íons OH-. De um modo geral, o sistema proposto no presente estudo mostrou-se promissor tendo sido observado um aumento no desempenho na ordem de 100%, comparativamente ao protótipo sem o umidificador e separador de CO2.

Fuel cells are held as devices for clean energy generation, since they use hydrogen as fuel, generating electricity, water and heat. Furthermore, some fuel cells operate at low temperatures, where one of the greatest challenges is the development of membranes. In this context, this study has developed a humidifier system and CO2 separator for use in a cellulose based prototype of an alkaline membrane fuel cell. The two main problems with this type of cell when operating in air are: i) the cell poisoning by the CO2 present in the air, and ii) dehydration of the cellulosic membrane that supports the aqueous KOH solution (electrolyte). The objective of this study was to develop a system that solves these two problems. Thus, it was tested a possible configuration of humidifier which could be capable of absorbing the CO2 present in the air. The performance of the alkaline fuel cell was evaluated from polarization curves and power curves. The CO2 separation proved to be necessary from the beginning of the cell operation, which showed effects of CO2 poisoning still in the early operating stages. The effect of the humidifier can also be observed over time during the cell operation, whereupon the membrane began to undergo dehydration hindering the mobility of the OH- ions. Generally the system proposed in the present study has shown itself as promising, since it showed a performance increase of approximately 100% when compared to the prototype without CO2 separator and humidifier.