Desenvolvimento, modelagem e simulação de sistema de filtragem de CO2 do ar para alimentação de células de combustível sustentáveis de membrana alcalina

Abstract

Resumo: Para reduzir a dependência do petróleo e as emissões de C02, estabilizando o efeito estufa no planeta e colaborar para um mundo mais sustentável, a busca por novas fontes de energias renováveis tem sido intensificada, com um interesse particular em soluções com o menor impacto ambiental possível. O hidrogênio, apontado como uma das fontes de energia do futuro, pode ser utilizado em células a combustível, que apresentam diversas aplicações práticas, além de estarem entre os sistemas de conversão de energia mais amigáveis ao meio ambiente. Há muitos tipos de células de combustível que se distinguem pelo eletrólito e sua temperatura de operação. Células de Combustível de Membrana Alcalina (AMFCs) e Células de Combustível de Membrana de Troca de Prótons (PEMFCs) são os principais tipos que funcionam em baixas temperaturas e produzem apenas H20 e eletricidade como parte da reação eletroquímica. A PEMFC é a mais utilizada devido à sua membrana polimérica que, mesmo com alto custo, sofre pouca degradação ao ser utilizada, contudo a AMFC proporciona menor custo e maior potência líquida durante sua operação, mas sua membrana ainda apresenta dúvidas quanto à contaminação e desempenho no longo prazo. Propondo uma solução de AMFC sustentável e que possa garantir pleno desempenho, o NPDEAS desenvolveu um dispositivo que o hidrogênio é produzido de forma renovável e utiliza uma membrana alcalina celulósica saturada com a solução de KOH que possui uma alta condutividade iônica, no entanto, a mesma sofre intoxicação por CO2 quando entra em contato com o dióxido de carbono presente no ar, produzindo K2CO3. O envenenamento vai influenciar na reação, interferindo na geração de energia, eficiência e tempo de vida da célula de combustível. Esta problemática motivou o desenvolvimento, modelagem matemática e simulação de um filtro lavador de gases que possa conter a contaminação do C02 presente no ar e livrar a AMFC da contaminação, otimizando-a e melhorando as condições de uso, influenciando em maiores aplicações com células de combustível alcalina e sem a necessidade de uso do oxigênio puro. O trabalho apresentou resultados promissores utilizando uma vidraria com sistema lavador de gases, pedra porosa e solução de KOH. A simulação conseguiu manter níveis baixos de concentração de dióxido de carbono na saída do sistema, mantendo no fundo do recipiente o produto da reação e a possibilidade de reabastecimento do sistema com mais KOH caso sua concentração diminua ao longo do tempo pela interação com o C02, além de ser possível manter uma eficiência acima de 95%, garantindo uma maior vida útil para a SAMFC.

Abstract: To reduce dependency on petroleum and CO2 emissions, stabilize the greenhouse effect on the planet, and contribute to a more sustainable world, the search for new renewable energy sources has intensified, with particular interest in solutions with minimal environmental impact. Hydrogen, identified as one of the energy sources of the future, can be used in fuel cells, which offer various practical applications and rank among the most environmentally friendly energy conversion systems. There are many types of fuel cells, distinguished by their electrolyte and operating temperature. Alkaline Membrane Fuel Cells (AMFCs) and Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) are the primary types operating at low temperatures, producing only H2O and electricity as byproducts of the electrochemical reaction. PEMFCs are the most commonly used due to their polymeric membrane, which, despite its high cost, exhibits low degradation during use. However, AMFCs offer lower costs and higher net power output during operation, although their membrane raises concerns regarding contamination and long-term performance. To propose a sustainable AMFC solution that ensures full performance, the NPDEAS developed a device in which hydrogen is produced renewably and uses a cellulosic alkaline membrane saturated with a KOH solution that exhibits high ionic conductivity. However, this membrane suffers from CO2poisoning when exposed to the carbon dioxide present in the air, leading to the formation of K2CO3. This contamination impacts the reaction, interfering with energy generation, efficiency, and the fuel cell's lifespan. This issue motivated the development, mathematical modeling, and simulation of a gas scrubber filter capable of mitigating CO2 contamination from the air, thus protecting the AMFC from poisoning, optimizing its operation, and enhancing its usability. This improvement paves the way for broader applications of alkaline fuel cells without requiring pure oxygen. The study presented promising results using glassware with a gas scrubber system, a porous stone, and a KOH solution. The simulation maintained low carbon dioxide concentrations at the system’s outlet, with the reaction product accumulating at the bottom of the container. The system also allows for replenishment with additional KOH if its concentration decreases over time due to CO2 interaction. Moreover, it was possible to maintain efficiency levels above 95%, ensuring an extended lifespan for the AMFC.