UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
LUÍS GUILHERME TROVÓ CASSANELLI
São Carlos
DESENVOLVIMENTO DE UM REATOR DE HIDROGÊNIO, POR
MEIO DA REAÇÃO ENTRE ALUMÍNIO E ÁGUA, PARA ALIMENTAÇÃO
DE UMA CÉLULA COMBUSTÍVEL
2016
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Obtenção do H2 análise, Teses (TCC) de Química experimental
.........................................
Tipologia: Teses (TCC)
2024
1 / 109
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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
LUÍS GUILHERME TROVÓ CASSANELLI
São Carlos
DESENVOLVIMENTO DE UM REATOR DE HIDROGÊNIO, POR
MEIO DA REAÇÃO ENTRE ALUMÍNIO E ÁGUA, PARA ALIMENTAÇÃO
DE UMA CÉLULA COMBUSTÍVEL
Agradecimentos
Agradeço a meus pais, Luís Renato e Marília, pela determinação e luta na minha formação.
Ao meu orientador, prof. Dr. Ruy Altafim, que me deu oportunidade de mostrar meu trabalho, demonstrando sempre muita paciência e dedicação.
A professora Dra. Joelma Perez e ao professor Dr. Manoel Luís de Aguiar por toda a disponibilidade deste trabalho e também por todo conhecimento repassado durante esta etapa.
Ao meu grande amigo Daniel Ferreira, pelo companheirismo e auxílio em todos os momentos desta dissertação.
A todos meus amigos de laboratório, futuros mestres e doutores, que além da amizade sempre foram muito importantes me ajudando nesta dissertação.
Agradeço a todos do departamento de engenharia elétrica, e de maneira especial aos funcionários Rui Bertho e César Domingues pela ajuda no projeto.
Agradeço também ao Instituto de Química, e de maneira especial ao técnico Valdecir Paganin que me auxiliou com diversos ensinamentos e ensaios.
Aos meus queridos amigos e familiares que de algum modo me incentivaram e motivaram em mais esta etapa da minha vida.
E por fim ao projeto FAPESP-MCT/CNPq-PRONEX 2011 pelo incentivo financeiro dado ao projeto, e a Fundação para o Incremento da Pesquisa e do Aperfeiçoamento Industrial (FIPAI) pela bolsa estudantil concedida ao aluno.
RESUMO
CASSANELLI, L. G. T. Desenvolvimento de um reator de hidrogênio, por meio da reação entre alumínio e água, para alimentação de uma célula combustível. 2016. 55 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2016.
Com a crescente busca por energia sustentável os países do mundo lutam para dominar tecnologias cada vez mais novas nesse mercado competitivo. Nesse âmbito a geração distribuída tem alavancado a maioria das novas pesquisas para geração ou cogeração de energia elétrica. Neste trabalho são propostos dois reatores de hidrogênio para operação de células combustíveis. A geração de hidrogênio de ambos os reatores ocorrerá por meio da reação entre água e alumínio assistido por hidróxido de sódio. Estudaram-se diversas variáveis acerca desta reação, sobretudo, a influência da temperatura e a concentração de hidróxido de sódio. Houve uma investigação dos aspectos sustentáveis do reator, evidenciando a importância industrial do resíduo do reator e a sua não degradação ambiental, bem como a possibilidade do uso de latas de alumínio vazias para a produção de hidrogênio para utilização em um PEMFC.
Palavras-chave: Células reator de hidrogênio. Cogeração de energia elétrica. Combustíveis. Energia elétrica. Energia sustentável. Geração de hidrogênio. Geração distribuída.
ABSTRACT
CASSANELLI, L. G. T. Developing a reactor hydrogen, through the reaction between aluminium and water, for feeding a fuel cell. 2016. 55 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2016.
With the growing search for sustainable energy countries around the world struggle to dominate more and more new technologies in this competitive market. In this context distributed generation has leveraged most new research to generation or cogeneration of electricity. This paper proposes two reactors hydrogen fuel cell operation. The hydrogen generation from both reactors occurs by reaction between water and aluminium assisted by sodium hydroxide. They were studied on different variables of this reaction mainly the influence of the temperature and the concentration of sodium hydroxide. There was an investigation of sustainable aspects of the reactor, indicating the importance of the industrial reactor and its non-residue environmental degradation, as well as the possible use of empty aluminium cans for producing hydrogen for use in a PEMFC.
Keywords: Cogeneration of electricity. Distributed generation. Electricity. Fuel cells. Hydrogen generation. Hydrogen reactor. Sustainable Energy.
Figura 24: Gerador de hidrogênio inventado por Clifford F. Houser. ......................... 60 Figura 25: Modelo computacional do reator proposto. ................................................ 65 Figura 26: Fotografia do atual reator confeccionado. .................................................. 66 Figura 27: (a) Fotografia do segundo reator e (b) Inovador compartimento para armazenar latas de alumínio e mergulhá-las na solução de hidróxido de sódio. .......... 67 Figura 28: Esquemático em blocos do controle do reator construído. ......................... 68 Figura 29: Caixa de controle do segundo reator. .......................................................... 69 Figura 30: (a) Fotografia dos principais equipamentos pneumáticos utilizados para acionamento do pistão (b) Válvula duplo solenoide utilizado no segundo reator. ........ 70 Figura 31: Fotografia dos principais componentes elétricos utilizados. ...................... 71 Figura 32: Análise do resíduo do reator por difração de Raio-X.................................. 74 Figura 33: Análise dos gases por meio do espectrômetro de massa evidenciando a alta geração de hidrogênio. ................................................................................................... 76 Figura 34: Análise dos gases por meio do espectrômetro de massa evidenciando a não produção significativa de gases contaminantes. ............................................................ 76 Figura 35: (a) Taxa de geração de hidrogênio (HG) pelo tempo e (b) o acúmulo de gás hidrogênio produzido, variando-se a temperatura inicial da reação. ........................... 79 Figura 36: (a) Taxa de geração de hidrogênio (HG) pelo tempo e (b) o acúmulo de gás hidrogênio produzido, variando-se a marca de hidróxido de sódio. ............................. 80 Figura 37: (a) Taxa de geração de hidrogênio (HG) pelo tempo e (b) o acúmulo de gás hidrogênio produzido, variando-se a concentração da solução de hidróxido de sódio. 82 Figura 38: Teste de controle por temperatura realizado. .............................................. 83 Figura 39: Curva de operação tensão por densidade de corrente da célula combustível. ........................................................................................................................................ 85 Figura 40: Taxa de geração de H 2 para o controle ajustado em 0,5 l/min. .................. 86 Figura 41: Taxa de geração de H2 para o controle ajustado em 0,7 l/min................... 87 Figura 42: Esquema de montagem do detector de gás hidrogênio.............................. 101 Figura 43: (a) Detector de gás hidrogênio confeccionado (b) Sequencia de LEDs acessos de acordo com os níveis de gás. ...................................................................... 102
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Tipo de células a combustível................................................................ Tabela 2: Característica dos diferentes tipos de célula combustível.................... Tabela 3: Limites da composição química das ligas de alumínio CBA%............. Tabela 4: Descrição dos componentes utilizados no detector de gás hidrogênio........................................................................................................................
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
EESC Escola de Engenharia de São Carlos
USP Universidade de São Paulo
IQSC Instituto de Química de São Carlos
UFSCAR Universidade Federal de São Carlos
PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell (Célula de Combustível de Membrana de Troca de Prótons)
HG Geração de hidrogênio (hydrogen generation)
IPHE International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy
SOFC Solide Oxide Fuel Cell (Célula Combustível de Oxido Sólido)
PEFC Polymer Electrolyte Fuel Cell (Célula Combustível Eletrólito Polimérico)
MEA Membrane Electrode Assembly (Conjunto Membrana Eletrodo)
XRD X-Ray Difraction (Difração de raios-X)