Patent BR-0003436-A (BR)
Title: Eletrodo de convecção capilar para células de combustìvel
Inventor: BAMBACE LUIZ ANTONIO WAACK
IPC: H01M4/00
Filed: 2000-07-14
Abstract: Patente de Invenção: "ELETRODO DE CONVECçãO CAPILAR PARA CéLULAS DE COMBUSTìVEL". O ELETRODO DE CONVECçãO CAPILAR PARA CéLULAS DE COMBUSTìVEL caracteriza-se por ter, variações propositais ou do diâmetro de poro ou do material da superficie do eletrodo, com arranjo regular destas valiações, de modo a gerar correntes de convecção internas ao eletrodo induzidas por variações de tensão supeficial tanto do fluido como do substrato, capazes de promover mistura dentro dos mesmos e reduzir os gradientes de concentração de reagentes e ions, melhorando o desempenho da célula. A inovação se aplica tanto a ânodos como a cátodos. As células combustíveis convencionais baseiam-se puramente no transporte por difusão do combustível, comburente e ions da ponte salina; este último ajudado pelos campos elétricos que naturalmente aparecem entre os eletrodos. Como a velocidade das reações importantes das células de combustível são baixas, usam-se eletrodos porosos para aumentar ao máximo a área de catalisador por unidade de volume. Modernamente, usam-se pontes salinas de material isolante poroso preenchido com solução. Para garantir a difusão apropriada do gás comburente e do combustível, fabricam-se eletrodos os mais finos possíveis e usam-se pressões extremamente superiores a de ebulição do solução, de forma a garantir gradientes de concentração suficientemente altos para que uma boa fração da área de catalisador seja efetivamente alimentada com combustível ou comburente. Mesmo assim, o combustível e principalmente o comburente não conseguem alimentar toda a área de catalisador quando as densidades de corrente são altas. Além disto aparece o risco, dependendo do arranjo da célula, de que o combustível ou comburente passem para o eletrodo oposto através da ponte salina quando se corta a corrente, reagindo diretamente e aquecendo a célula em demasia. O risco de passagem de reagentes para o eletrodo oposto, tem sido controlado com os separadores bipolares, que no entanto ainda ocupam volumes razoáveis ou apresentam fragilidade. Para eliminar as limitações provenientes da baixa capacidade de transporte por difusão pura, introduz-se, neste pedido de patente, o uso de convecção solução salina dentro de cada um dos eletrodos, como meio de transporte básico de combustível e comburente e auxílio ao transporte iónico. Esta convecção, pode ser tanto induzida por gravidade, como por variações com a temperatura e concentração das forças de capilaridade. A tensão superfícial gera forças nas interfaces de 2 fluídos tanto maiores quanto maior a diferença das tensões superficiais de ambos. Tais forças são capazes de erguer uma coluna de fluido tanto mais alto quanto menor o raio do tubo. Quando a tensão superficial de um fluído varia com a temperatura, ou com a concentração de solutos, aparecem forças de tensão superficial que movimentam o fluído. Chapas com gradiente de temperatura por exemplo, provocam gradientes na temperatura do fluído que as recobre; e este gradiente causa variações de tensão superficial, que provocam o movimento do fluido. Este fenómeno é largamente observado, inclusive com traçadores, e é fortemente estudado em solidificação em ambiente de microgravidade. Similarmente, em interfaces gás - líquido, gradientes de tensão superficial paralelos à superfície, criam ondas de movimentação de líquido ou gás também paralelas à superficie, que quando de caráter radial favorecem a mistura. Tais forças também atuam em meios porosos, são elas que puxam o líquido em direção a fonte quente nos tubos de calor, ou que fazem a umidade subir numa parede de tijolos comuns. Duas teias porosas de diâmetros de poros diferentes, tem diferentes capacidades de bombeamento capilar. Quando colocadas em paralelo em um fluido homogêneo, não há circulação alguma porque não existem gradientes de tensão superficial. Mas colocadas em fluídos com gradientes de tensão superficial induzidos por gradientes de temperatura ou de concentração de soluto, as forças capilares são maiores na teia de baixo diâmetro de poros do que naquela de diâmetro grande. Similarmente ao que ocorre em superficies, ocorrem efeitos de gradientes de tensão superficial nas teias. Como as forças são desiguais, as 2 teias inicialmente bombeiam na mesma direção, mas tão logo o desnível supere a capacidade de bombeamento da teia grossa, esta tem uma reversão de direção de fluxo e estabelece-se uma circulação, desde que sejam mantidas por meios externos as diferenças de tensão superficial. O mesmo efeito pode ser observado ao se utilizar teias de mesma porosidade mas materiais de diferentes tensões superficiais. Em um eletrodo de célula de combustível, as reações químicas geram variações de tensão superfícial do fluido em decorrência de alterações de sua temperatura e da concentração de solutos. Normalmente os eletrodos da célula, independentemente do sistema de retirada da água formada, tem uma zona de poros grossos destinada a absorção de gás e outra zona de poros finos que retém o líquido da ponte salina. Nada impede que a zona de poros finos seja composta de zonas de 2 diâmetros diferentes de poros, ou mesmo que tenha 2 materiais catalisadores diferentes na sua superficie. Nesta situação, tem-se simultaneamente gradientes de tensão superficial no fluido e não homogeneidade no eletrodo, o que tende a promover circulação capilar e um certo grau de mistura dentro do eletrodo, de forma a reduzir as diferenças de concentrações de soluto e reagentes. Se na interface de separação entre os eletrodos, ambas as correntes individuais dos eletrodos tiverem direção opostas de circulação, e o material separador tiver uma distribuição de permeabilidade adequada, não haverá passagem de fluido de um eletrodo ao outro e transporte indesejado de comburente e combustível. Ao mesmo tempo, haverá um transporte adequado de ions e água ao longo da fronteira, auxiliado pelos gradiente da velocidade paralela a interface na direção perpendicular a esta. O separador, as diferenças de velocidade de circulação nos dois eletrodos, e ou a indução de velocidades paralelas a interface perpendiculares uma a outra nos 2 eletrodos, via disposição de sua não homogeneidade, garantem estes gradientes. Os principais motores da variação de tensão superficial são a concentração de ions, e as diferenças de temperatura dentro de um só eletrodo devidas as diferentes taxas de reação, de liberação de calor das reações, e de evaporação do cátodo e ânodo, que geram gradientes de tensão superficial devidos a variação de temperatura e concentração de ions. Desta forina as características da membrana de separação do eletrodo de combustível definem a taxa de troca de ions e de calor entre os eletrodos e por decorrência a velocidade de circulação. Com o uso densidades de poro não homogênia na região inundada dos eletrodos, a região de poros mias finos tem maior superfície de reação por unidade de volume de fluido. As variações de temperatura e de composição da solução tendem a ser mais acentuadas na região de poros mais finos, de forma que se geram diferenças de densidades entre as diversas regiões do eletrodo. Estas diferenças de densidade, tendem a promover circulação natural, que aliada a circulação capilar promovem o transporte de reagentes no eletrodo. Ambos os fenómenos de transporte citados ocorrem em qualquer eletrodo.