Simulação e operação de célula de combustível com geração in situ de hidrogênio através da corrosão alcalina do alumínio

Abstract

Células de combustível são dispositivos onde ocorre a oxidação eletroquímica de um combustível, apresentando maior eficiência, segurança e escalabilidade do que a maioria dos motores de combustão interna. A geração de hidrogênio a partir do alumínio possui a vantagem de utilizar-se metal que pode ser completamente recuperado, reciclado e reprocessado. Além disso, refugos feitos à base de alumínio tais como: latas de bebidas; peças de dispositivos eletrônicos; brinquedos; dentre outros, podem ser utilizados para geração de hidrogênio, o que incentivaria a reciclagem de materiais. A reação ocorre com a água na presença de álcalis fortes, tais como NaOH e KOH, que atuam como catalisadores, não sendo assim consumidos no processo. O objetivo principal deste trabalho é a construção de uma célula de combustível de baixa temperatura, denominada na literatura de PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Célula de Combustível com Membrana de Troca de Prótons) acoplada à geração local de hidrogênio por meio da corrosão alcalina do alumínio. Foram realizados experimentos variando-se os seguintes itens: concentração dos álcalis (de 1 a 3 mol.L-1), temperatura (295 a 345 K) e forma do metal (folhas de alumínio com 0,02 mm de espessura, lâminas com 0,5 mm e com 1 mm de espessura). Nesta primeira etapa, verificou-se que a concentração e temperatura influenciam fortemente a reação. Os tempos de reação variaram desde valores próximos de 2 minutos (reação de folhas de alumínio em presença de NaOH a 3 mol.L-1 na temperatura de 325 K) até tempos da ordem de 700 minutos (em experimentos utilizando lâminas de 1 mm a 315 K em presença de KOH 1 mol.L-1). A análise de difração de raios-x juntamente com a microscopia eletrônica de varredura (MEV) confirmou a presença de hidróxido de alumínio na forma de um precipitado de gibsita sobre uma amostra metálica após reação com NaOH, possibilitando a visualização da estrutura cristalina deste precipitado. Após construção e operação do reator alumínio-água acoplado à célula de combustível, obteve-se valores de diferença de potencial máximos da ordem de 150 mV e densidade de corrente máxima próxima a 5.10-3 mA.cm-2. Estes valores encontram-se muito abaixo dos valores esperados para uma célula de combustível de hidrogênio comum (ao redor de 700 mV e 200-400 mA.cm-2, respectivamente). Um modelo transiente simplificado do sistema, baseado em balanços de massa, energia e carga elétrica, foi utilizado para a compreensão do funcionamento do dispositivo. Assim, verificou-se que uma das possíveis causas da operação estar abaixo da eficiência esperada foi devido à baixa relação estequiométrica entre oxigênio alimentado por difusão do ar e vazão de hidrogênio obtido a partir da reação entre alumínio e água.

Fuel Cells are devices where electrochemical oxidation of a fuel occurs, showing more efficiency, safety and scalability than most of the internal combustion engines. The production of hydrogen from aluminum has the advantage to utilize a metal that might be completely recovered, recycled and re-processed. Moreover, wastes made with aluminum such drink cans, pieces of electronic devices, toys, among others, are possible to be utilized to generate hydrogen, which would encourage the material recycling. The reaction occurs with the water in the presence of strong alkali like NaOH and KOH, which act as catalysts, so not being consumed in the process. The main objective of this work is the construction of a low temperature fuel cell, named in the literature as PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) coupled to local hydrogen generation by means of the aluminum alkaline corrosion. Experiments were conducted by varying the following items: alkali concentration (1-3 mol.L-1), temperature (295-345 K) and metal shape (0.02 mm thick aluminum foils, 0.5 mm and 1 mm thick aluminum plates). In this first step, it has been verified that the concentration and temperature strongly influence the reaction. The reaction times varied from values close to 2 minutes (aluminum foils in the presence of NaOH 3 mol.L-1 at 325 K) up to times about 700 minutes (experiments utilizing 1 mm thick plates at 315 K in the presence of KOH 1 mol.L-1). Analysis of Scanning Electron Microscopy (SEM) together with X-ray Difraction (XRD) has confirmed the presence of aluminum oxide as gibbsite precipitate on the metallic sample after reaction with NaOH, which enabled the visualization of its crystalline structure. After construction and operation of the aluminum-water reactor coupled with the fuel cell, maximum values of electrical potential about 150 mV and current density about 5.10-3 mA.cm-2 were obtained. These values are very low in comparison with the values expected for common hydrogen fuel cells (about 700 mV and 200–400 mA.cm-2, respectively). A simplified transient model was developed, based on mass, energy and electric charge balances, in order to understand the operation of the device. It has been verified that one of the possible issues of low efficiency of the operation is due to low stoichiometric ratio between oxygen fed by air diffusion and hydrogen mass flow obtained from aluminum–water reaction.