BRPI0303079B1

BRPI0303079B1 - fuel cells using new electrolytes

Info

Publication number: BRPI0303079B1
Application number: BRPI0303079A
Authority: BR
Inventors: Jairton Dupont; Janine Carvalho Padilha; Reinaldo Simões Gonçalves; Roberto Fernando De Souza
Original assignee: Companhia Estadual De En Elétrica Ceee; Univ Fed Do Rio Grande Do Sul
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2003-08-12
Publication date: 2016-07-12
Also published as: BR0303079A

Abstract

"células de combustível utilizando novos eletrólitos". são descritas células de combustível para produção de energia que utilizam como eletrólitos líquidos iônicos ou sal fundido à temperatura ambiente, sendo os líquidos iônicos do tipo sais de amônio, sais de fosfônio, sais de imidazólio e correlatos, passíveis de utilização em ampla faixa de condições operacionais, com temperaturas que vão da temperatura ambiente até 250<198>c e pressões que vão da pressão ambiente até 200 atm, com eficiências totais que variam entre 15% e 68%."fuel cells using new electrolytes". fuel cells for energy production using ionic liquids or molten salt at room temperature are described, and ionic liquids such as ammonium salts, phosphonium salts, imidazole salts and the like can be used in a wide range of conditions. operating temperatures ranging from room temperature up to 250 <198> c and pressures ranging from room pressure up to 200 atm with total efficiencies ranging from 15% to 68%.

Description

CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL UTILIZANDO NOVOSFUEL CELLS USING NEW

ELETRÓLITOSELECTROLYTES

CAMPO DA INVENÇÃOFIELD OF INVENTION

A presente invenção diz respeito a células de combustível para produção de energia utilizando novos eletrólitos. Mais especificamente, são descritas células de combustível nas quais o eletrólito é um líquido iônico ou sal fundido à temperatura ambiente. FUNDAMENTOS DA INVENÇÃOThe present invention relates to fuel cells for energy production using new electrolytes. More specifically, fuel cells are described in which the electrolyte is an ionic liquid or molten salt at room temperature. BACKGROUND OF THE INVENTION

Com o aumento da poluição global e o decréscimo da disponibilidade de reservas de combustíveis fósseis a produção de energia renovável a partir do hidrogênio passou a ser considerada como um dos métodos mais promissores para a produção de energia no futuro próximo. Em outras palavras, para evitar o efeito estufa, catastrófico sobre o meio ambiente, associado com a queima de combustíveis fósseis, sobretudo para evitar os fenômenos climáticos associados à elevação da temperatura do planeta devido às emissões de C02, o ser humano necessita urgentemente realizar a substituição de fontes de energia poluentes por fontes de energia limpas, isto é, combustíveis fósseis devem ser substituídos por outras fontes renováveis como, por exemplo, o hidrogênio, que tem um papel dominante no contexto das fontes alternativas de energia, pois é o melhor portador de energia solar ao ser formado pela eletrólise da água retornando, nas células de combustível, à forma de água. O reconhecimento da importância estratégica do hidrogênio já vem de longa data conforme relatado nos trabalhos clássicos de J. Ο'Μ. Bockris, A. J. Appleby, Environment, vol 13, 51 (1971) e C. J. Winter, J. Nitsch, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 14, 785 (1989). O hidrogênio é adaptável à maior parte das tecnologias de utilização de energia existentes sem modificações maiores e é considerado como tendo a maior eficiência de conversão em energia, sendo a produção deste um tópico extremamente importante, conforme J. 0'M. Bockris, S. O M. Khan, in Surface Electrochemistry, Plenum Press, Nova Iorque, 927 e 939 (1993). O uso do hidrogênio pode ser efetuado através da adaptação dos equipamentos existentes para queima de combustíveis fósseis, mas, de maneira muito mais nobre, pode ser utilizado em células de combustível sendo recombinado com oxigênio regenerando água e liberando a quantidade de energia que foi armazenada durante sua formação a partir da energia solar. O sistema global consiste num “loop”, utilizando a produção de hidrogênio por eletrólise da água num eletrolizador alcalino convencional e geração de eletricidade através de uma célula de combustível alcalina ou célula de combustível de membrana polimérica. Tal processo é totalmente limpo e extremamente eficiente, constituindo, portanto, uma das maiores esperanças tecnológicas da atualidade. A importância deste campo do conhecimento tem feito com que muitos esforços sejam dedicados ao desenvolvimento de células de combustível, havendo atualmente uma grande variedade de catalisadores empregados na confecção dos eletrodos, com elevada eficiência, e diversos meios condutores, responsáveis pelo transporte de íons levando à formação da água, que é assim regenerada. A Tabela 1, adaptada de F. H. Fahmy, Z. S. Abdel-Rheim, Energy Sources, vol. 21, 629 (1999), mostra um apanhado geral da situação atual em termos de tecnologias de células de combustível.With increasing global pollution and decreasing availability of fossil fuel reserves, renewable energy production from hydrogen has come to be regarded as one of the most promising methods for energy production in the near future. In other words, to avoid the catastrophic greenhouse effect associated with the burning of fossil fuels, especially to avoid the climatic phenomena associated with rising temperatures of the planet due to CO2 emissions, human beings urgently need to carry out replacement of polluting energy sources with clean energy sources, ie fossil fuels should be replaced by other renewable sources such as hydrogen, which has a dominant role in the context of alternative energy sources as it is the best carrier solar energy as it is formed by the electrolysis of water returning the fuel cells to the water form. Recognition of the strategic importance of hydrogen has come for a long time as reported in the classic works of J. Ο'Μ. Bockris, A. J. Appleby, Environment, vol 13, 51 (1971) and C. J. Winter, J. Nitsch, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 14, 785 (1989). Hydrogen is adaptable to most existing energy use technologies without major modifications and is considered to have the highest energy conversion efficiency, and the production of this is an extremely important topic, according to J. 0'M. Bockris, S.M. Khan, in Surface Electrochemistry, Plenum Press, New York, 927 and 939 (1993). Hydrogen use can be done by retrofitting existing fossil fuel burning equipment, but much more nobly, it can be used in fuel cells being recombined with oxygen regenerating water and releasing the amount of energy that was stored during its formation from solar energy. The global system consists of a loop using hydrogen production by electrolysis of water in a conventional alkaline electrolyzer and generation of electricity through an alkaline fuel cell or polymeric membrane fuel cell. Such a process is totally clean and extremely efficient, thus constituting one of the greatest technological hopes of today. The importance of this field of knowledge has made many efforts dedicated to the development of fuel cells, and there is currently a wide variety of catalysts employed in the manufacture of electrodes, with high efficiency, and various conductive media, responsible for the transport of ions leading to the formation of water, which is thus regenerated. Table 1, adapted from F. H. Fahmy, Z. S. Abdel-Rheim, Energy Sources, vol. 21, 629 (1999), shows an overview of the current situation in terms of fuel cell technologies.

As células alcalinas e as células de membrana polimérica têm os melhores desempenhos para geração de potência elétrica.Alkaline cells and polymeric membrane cells have the best performances for electric power generation.

Existem limites para o balanço econômico nas células de combustível, sobretudo devido ao gasto energético para manter as células de combustível na temperatura de operação, uma vez que a temperatura de operação típica para as células de combustível alcalinas encontra-se no intervalo 80 a 90°C.There are limits to the economic balance in fuel cells, mainly due to the energy expenditure to keep fuel cells at operating temperature as the typical operating temperature for alkaline fuel cells is in the range 80 to 90 °. Ç.

Existem limites de temperatura máxima de operação das membranas poliméricas, associados às suas estabilidades térmicas, que constituem problemas para a vida útil das membranas de catalisadores que servem de eletrodos. Em contraposição, a vida útil dos catalisadores e a resistência aos contaminantes, ou seja, a menor exigência quanto à pureza dos gases de alimentação, aumenta com a temperatura de operação. Este compromisso entre duas tendências opostas é o d ilema t ratado η o u so d e c élulas d e combustível c omo fonte de energia para os veículos automotores que se encontram atualmente em fase de pré-comercialização. O campo das células de combustível tem sido objeto de extensas revisões bibliográficas, já que é atualmente reconhecido como sendo uma das vias mais promissoras da nova era de uso de combustíveis limpos e renováveis.There are maximum operating temperature limits of the polymeric membranes, associated with their thermal stability, which constitute problems for the life of the electrode catalyst membranes. In contrast, the service life of catalysts and resistance to contaminants, ie the lower requirement for feed gas purity, increases with operating temperature. This compromise between two opposing trends is the dilemma of using fuel cells as the energy source for pre-market automotive vehicles. The field of fuel cells has been the subject of extensive literature reviews, as it is now recognized as one of the most promising avenues of the new era of clean and renewable fuels.

Com a finalidade de utilizar energia limpa em veículos para a minimizar a poluição do meio ambiente, diferentes companhias em diversos países estão utilizando células de combustível de membrana trocadora de próton em veículos automotores. Além da vantagem ambiental das células de combustível em relação aos motores de i combustão interna, estas têm seu custo de implantação e manutenção muito menor quando comparados aos motores de combustão interna.In order to use clean energy in vehicles to minimize environmental pollution, different companies in different countries are using proton membrane fuel cells in automotive vehicles. In addition to the environmental advantage of fuel cells over internal combustion engines, they have a much lower deployment and maintenance cost than internal combustion engines.

Segundo cálculos feitos por A. Kazim, Applied Energy, vol. 74, 125 (2003), até o ano de 2005 a maioria dos veículos do setor de transporte dos Emirados Árabes utilizará hidrogênio como combustível nas PEMFC. Assim, até o ano de 2025 todos os veículos do país deverão estar se movimentando com a utilização de células de combustível de membrana trocadora de próton, sendo eliminada a utilização de motores de combustão interna. Uma revisão bastante completa foi publicada por J. Ο’Μ Bockris, B. E. Conway, E. Yearger, R. E. White, in Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, Nova Iorque, vol. 3, 101 (1981) A Tabela 1 abaixo apresenta os cinco grandes tipos de células de combustível disponíveis atualmente.According to calculations made by A. Kazim, Applied Energy, vol. 74, 125 (2003), by the year 2005 most UAE transportation vehicles will use hydrogen as fuel in PEMFCs. Thus, by the year 2025 all vehicles in the country should be moving using proton-membrane fuel cells, eliminating the use of internal combustion engines. A fairly complete review has been published by J. O'Bockris, B. E. Conway, E. Yearger, R. E. White, in Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, New York, vol. 3, 101 (1981) Table 1 below lists the five major fuel cell types available today.

Tabela 1: Características dos diferentes tipos de células de combustível comerciais O uso de um novo tipo de células de combustível é o objeto central desta patente, na qual são detalhadas as características operacionais do uso de líquidos iônicos como eletrólitos não voláteis, de elevada condutividade, estáveis em amplo intervalo de temperaturas, constituindo um avanço tecnológico considerável em relação às células de combustível até hoje disponíveis comercialmente.Table 1: Characteristics of the different types of commercial fuel cells The use of a new type of fuel cells is the central object of this patent, in which the operational characteristics of the use of ionic liquids as high conductivity non-volatile electrolytes are detailed. stable over a wide range of temperatures, constituting a considerable technological breakthrough over the commercially available fuel cells.

Os líquidos iônicos têm uma ampla gama de aplicações. Um exemplo típico é o pedido de privilégio industrial BR9605493-0 depositado pela Petrobrás, no qual se utiliza o líquido iônico no processo de preparação de sistemas catalíticos e no uso dos sistemas catalíticos em reações de hidrogenação. A operação de uma célula de combustível em si mesma é bem conhecida e é assunto de grande número de trabalhos dedicados ao aperfeiçoamento de seu funcionamento. Um exemplo disto é descrito no pedido de privilégio industrial W02003014201, depositado por T. Haering em 2003, o qual propõe um novo eletrólito para a célula de combustível utilizando um material já conhecido, no caso, uma membrana aniônica trocadora na forma hidroxilada. De forma semelhante ao da patente acima citada, o presente pedido de privilégio industrial é dedicado ao uso de um sistema operacional de células de combustível comercial empregando como eletrólitos líquidos iônicos.Ionic liquids have a wide range of applications. A typical example is the industrial privilege application BR9605493-0 filed by Petrobras, in which ionic liquid is used in the process of preparing catalytic systems and in the use of catalytic systems in hydrogenation reactions. The operation of a fuel cell itself is well known and is the subject of a great deal of work devoted to improving its operation. An example of this is described in industrial privilege application W02003014201, filed by T. Haering in 2003, which proposes a new fuel cell electrolyte using a known material, in this case a hydroxylated anion exchanger membrane. Similar to the above cited patent, this application for industrial privilege is dedicated to the use of a commercial fuel cell operating system employing as ionic liquid electrolytes.

Conforme apresentado na Tabela 1, existem cinco grandes tipos de células de combustível disponíveis atualmente, conforme passaremos a descrever.As shown in Table 1, there are five major fuel cell types available today, as we will now describe.

As Células do Primeiro Tipo são células de combustível alcalinas (AFC), as quais utilizam eletrólitos líquidos, tais como, solução de hidróxido de potássio ou sódio ou ácidos diluídos. O uso de matrizes molhadas com KOH tornou-se padrão para células de combustível em aplicações espaciais da Agência Nacional de Pesquisa Espacial dos Estados Unidos da América (NASA). O uso de eletrólitos que circulam no sistema é uma vantagem do ponto de vista térmico e de produção de água. A permutabilidade do KOH torna possível a operação com remoção incompleta do C02, conforme salientado por K. Kordesch, V. H acker, J . Gsellmann, M . Cifrain, G. Faleschini, P. Enzinger, R. Fankhauser, M. Ortner, M. Muhr, R. R. Aronson, Journal of Power Sources, vol. 86, 162 (2000).First Type Cells are alkaline fuel cells (AFC), which use liquid electrolytes such as potassium or sodium hydroxide solution or dilute acids. The use of KOH wetted matrices has become standard for fuel cells in space applications by the United States National Space Research Agency (NASA). The use of electrolytes circulating in the system is a thermal and water production advantage. The interchangeability of KOH makes it possible to operate with incomplete removal of CO 2, as pointed out by K. Kordesch, V. H acker, J. Gsellmann, M. Cifrain, G. Faleschini, P. Enzinger, R. Fankhauser, M. Ortner, M. Muhr, R. R. Aronson, Journal of Power Sources, vol. 86, 162 (2000).

Segundo J. Ο’Μ Bockris, B. E. Conway, E. Yearger, R. E. White in Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, Nova Iorque, vol. 3, 101 (1981), células de combustível alcalinas oferecem excelente desempenho, com uma voltagem de célula de 0,8 V devido ao seu menor sobrepotencial catódico em relação às células de combustível de ácido fosfórico (ver Células do Terceiro Tipo, abaixo). Os cátodos não requerem metais nobres, o que resulta numa substancial redução no custo das Células do Primeiro Tipo quando comparadas com outras células. Uma outra vantagem das células alcalinas é que elas utilizam eletrodos de níquel, metal que é estável no ambiente da célula e que pode ser usado para a fabricação de componentes eletronicamente condutivos (por exemplo, eletrodos, coletores de corrente, etc.). A presença de dióxido de carbono no ar ou em qualquer outro combustível gasoso utilizado como alimentação para a célula de combustível alcalina causa uma rápida carbonatação do eletrólito e diminui seu desempenho. Conseqüentemente, um depurador de dióxido de carbono é necessário antes da passagem do combustível pela célula para prevenir este problema. Atualmente, a energia requerida para a remoção do dióxido de carbono é relativamente alta e, portanto consome fração considerável da eficiência da célula combustível alcalina. A diminuição de desempenho associada com a eliminação de dióxido de carbono do ar e da corrente de combustível gasoso chega a ponto de comprometer a eficiência do sistema. A eficiência total estimada para o funcionamento do sistema de célula de combustível alcalina, usando gás carbonatado como combustível, é semelhante aos sistemas ácidos, situando-se em entre 35 e 40%.According to J. Bockris, B. E. Conway, E. Yearger, R. E. White in Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, New York, vol. 3, 101 (1981), alkaline fuel cells offer excellent performance with a 0.8 V cell voltage due to their lower cathodic overpower over phosphoric acid fuel cells (see Third Type Cells, below). Cathodes do not require noble metals, which results in a substantial reduction in the cost of First Type Cells compared to other cells. Another advantage of alkaline cells is that they use nickel electrodes, a metal that is stable in the cell environment and can be used to make electronically conductive components (eg electrodes, current collectors, etc.). The presence of carbon dioxide in the air or any other gaseous fuel used as fuel for the alkaline fuel cell causes rapid electrolyte carbonation and decreases its performance. Consequently, a carbon dioxide scrubber is required before fuel passes through the cell to prevent this problem. Currently, the energy required for carbon dioxide removal is relatively high and thus consumes a considerable fraction of the alkaline fuel cell efficiency. The performance degradation associated with the elimination of carbon dioxide from the air and the gaseous fuel stream is to the point of compromising system efficiency. The estimated total efficiency for the operation of the alkaline fuel cell system using carbonated gas as fuel is similar to acidic systems, being between 35 and 40%.

Calor e água são os produtos da reação da célula combustível que são removidos conforme salientado por G.F. McLean, T. Niet, S. Prince-Richard, N. Djilali, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 27, 507 (2002). Esta remoção é realizada por recirculação do eletrólito e pelo uso de líquido refrigerante, embora a água seja removida por evaporação.Heat and water are the products of the fuel cell reaction that are removed as noted by G.F. McLean, T.Niet, S.Prince-Richard, N.J.Lali, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 27, 507 (2002). This removal is accomplished by recirculating the electrolyte and using coolant, although water is removed by evaporation.

Os eletrodos da célula de combustível alcalina consistem de uma estrutura de dupla camada: uma camada eletrocatalítica ativa e uma camada hidrofóbica. A camada ativa consiste de uma mistura orgânica (negro de carbono, catalisador e politetrafluoroetileno (PTFE)) a qual é triturada e laminada à temperatura ambiente, fazendo com que o pó adquira ligações cruzadas de modo a obter uma folha auto-sustentada. A camada hidrofóbica, a qual impede o eletrólito de escoar entre os reagentes gasosos através de canais e assegura a difusão dos gases para o sítio da reação, é feita por nova -camada o rgânica porosa com ligações cruzadas. As duas camadas são prensadas sobre uma malha de metal condutor. O processo é eventualmente completado por sinterização. A espessura total dos eletrodos é da ordem de 0,2 a -0,5 mm.The alkaline fuel cell electrodes consist of a double layer structure: an active electrocatalytic layer and a hydrophobic layer. The active layer consists of an organic mixture (carbon black, catalyst and polytetrafluoroethylene (PTFE)) which is ground and laminated at room temperature, causing the powder to crosslink to obtain a self-sustaining sheet. The hydrophobic layer, which prevents the electrolyte from flowing through the gaseous reagents through channels and ensures the diffusion of gases to the reaction site, is made by the new cross-linked porous organics. The two layers are pressed onto a conductive metal mesh. The process is eventually completed by sintering. The total electrode thickness ranges from 0.2 to -0.5 mm.

As reações que ocorrem nas células de combustível alcalinas são Ânodo: H2(g) + 2 (OH) (3q) -* 2 H20(i) + 2 e Cátodo: 1/2 02 (g) + H20{|) + 2 e ^ 2 (OH) {aq) Célula global: H2 + 1/4 02 -> H20 + energia elétrica + calor Nestas células de combustível, íons hidroxila (OH') migra do cátodo para o ânodo. No ânodo, o gás hidrogênio reage com os íons (OH') produzindo água e liberando elétrons (e'). Os elétrons (e) gerados no ânodo migram pelo circuito externo, constituindo corrente elétrica, voltando para o cátodo, onde reagem com o oxigênio e água produzindo íons hidroxila que se difundem no eletrólito.Reactions that occur in alkaline fuel cells are Anode: H2 (g) + 2 (OH) (3q) - * 2 H20 (i) + 2 and Cathode: 1/2 02 (g) + H20 {|) + 2 and ^ 2 (OH) (aq) Global cell: H2 + 1/4 02 -> H2O + electric power + heat In these fuel cells, hydroxyl ions (OH ') migrate from the cathode to the anode. At the anode, hydrogen gas reacts with ions (OH ') producing water and releasing electrons (e'). The electrons (e) generated in the anode migrate through the external circuit, constituting electric current, returning to the cathode, where they react with oxygen and water producing hydroxyl ions that diffuse into the electrolyte.

Uma temperatura de operação típica para as células de combustível alcalinas é de aproximadamente 100°C, como salientado por A. F. Ghenciu, Current Opinion in Solid State and Materials Science, vol. 6, 389, (2002).A typical operating temperature for alkaline fuel cells is approximately 100 ° C, as noted by A. F. Ghenciu, Current Opinion in Solid State and Materials Science, vol. 6,389 (2002).

As Células do Segundo Tipo são células de combustível de membrana de troca iônica (PEM), as quais trabalham em temperaturas relativamente baixas, na ordem dos 80 a 100 °C. Conforme salientado por A. F. Ghenciu in Current Opinion, Solid State and Materials Science, vol. 6, 389, (2002), as principais características das Células do Segundo Tipo são: trabalhar em baixas temperaturas de operação, ter a possibilidade de operação com alta densidade de corrente, ter baixo peso, ser compacta, ter baixo custo , ter longo tempo de vida, funcionar rapidamente e poder funcionar descontinuamente.Second Type Cells are ion exchange membrane (PEM) fuel cells, which work at relatively low temperatures in the order of 80 to 100 ° C. As noted by A. F. Ghenciu in Current Opinion, Solid State and Materials Science, vol. 6, 389, (2002), the main characteristics of Second Type Cells are: working at low operating temperatures, being able to operate at high current density, having low weight, being compact, having low cost, having long time life, function quickly and be able to function discontinuously.

Conforme descrito por B. Tazi, O. Savadogo, Electrochimica Acta vol. 45, 4330 (2000), as membranas eletrolíticas devem possuir as seguintes propriedades para sua aplicação como condutoras de próton em sistemas eletroquímicos: (a) ter estabilidade química e eletroquímica nas condições de funcionamento dos sistemas operacionais; (b) ter resistência mecânica e nas condições de operação; (c) que os componentes tenham propriedades químicas compatíveis com a ligação requerida peias PEM; (d) ter permeabilidade a espécies reagentes extremamente baixa; (e) ter alto número de transporte do eletrólito, mantendo uniforme o conteúdo do eletrólito e prevenindo contra o esgotamento localizado; (f) ter alta condutividade de próton, de modo a suportar altas correntes com mínima perda de resistência e condutividade eletrônica zero; e, finalmente, (g) ter um custo de produção compatível com sua aplicação. V. Mehta, J. S. Cooper, Journal of Power Sources, vol 1 14, 32 (2003) descrevem os componentes de células combustíveis de membrana polimérica nas quais as reações oxidativas e redutivas de meia célula se sustentam separadamente (isto é, na qual a placa bipolar é impermeável aos reagentes). Uma célula PEM é composta de três componentes: um conjunto membrana-eletrodo (MEA), duas placas bipolares e duas marcas (para controle de fluxo) e dois selos de vedação. Na sua forma mais simples, o MEA consiste de uma membrana, duas camadas de catalisador dispersas, e duas camadas de difusão de gás (GDL). A membrana que separa as reações de meia célula permite a passagem direta dos prótons de modo a completar a reação. O elétron liberado no lado anódico é forçado a um fluxo direto pelo circuito externo criando uma corrente. A GDL permite o acesso direto e uniforme do combustível e do oxidante à camada catalítica, a qual mantém cada meia reação em velocidade apreciável. As placas bipolares tipicamente têm quatro funções: (1) distribuir o combustível e oxidante dentro da célula, (2) facilitar a distribuição de água dentro da célula, (3) separar as células individuais na pilha, e (4) transportar corrente através da célula. Células de combustível podem ser associadas a outras pilhas e ou células de combustível.As described by B. Tazi, O. Savadogo, Electrochimica Acta vol. 45, 4330 (2000), electrolytic membranes should have the following properties for their application as proton conductors in electrochemical systems: (a) have chemical and electrochemical stability under operating system operating conditions; (b) have mechanical strength and operating conditions; (c) that the components have chemical properties compatible with the binding required by PEM; (d) have extremely low permeability to reactive species; (e) have a high electrolyte transport number, maintaining uniform electrolyte content and preventing localized depletion; (f) have high proton conductivity to withstand high currents with minimal loss of resistance and zero electronic conductivity; and finally (g) have a production cost compatible with your application. V. Mehta, JS Cooper, Journal of Power Sources, vol 1 14, 32 (2003) describe the components of polymeric membrane fuel cells in which half-cell oxidative and reductive reactions are sustained separately (ie, in which plaque bipolar is impervious to reagents). A PEM cell is made up of three components: a membrane electrode assembly (MEA), two bipolar plates and two marks (for flow control) and two seals. In its simplest form, MEA consists of a membrane, two dispersed catalyst layers, and two gas diffusion layers (GDL). The membrane that separates half-cell reactions allows the protons to pass directly to complete the reaction. The electron released on the anode side is forced into a direct flow through the outer circuit creating a current. GDL allows direct and uniform access of fuel and oxidant to the catalytic layer, which keeps each reaction at an appreciable speed. Bipolar plates typically have four functions: (1) distributing fuel and oxidant within the cell, (2) facilitating water distribution within the cell, (3) separating the individual cells in the cell, and (4) carrying current through the cell. cell. Fuel cells may be associated with other batteries and or fuel cells.

Grubb da companhia General Electric (GE) sugeriu, em 1957, o uso de uma membrana trocadora de próton nas tecnologias de células de combustível. Neste caso os gases H2 e 02 entram na célula, mas o ácido livre não permanece imobilizado nos grupos ácidos na membrana. O único produto da reação seria a água produzida no cátodo. Este fato faz com que a célula de combustível possa ser leve. Entretanto, como salientado por J. Ο'Μ. Bockris, S. O M. Khan in Surface Electrochemistry, Plenum Press, Nova Iorque, 8 71 (1993) o uso de eletrólito sólido ácido fará com que seja necessário utilizar platina como material do eletrodo.Grubb from General Electric (GE) suggested, in 1957, the use of a proton-changing membrane in fuel cell technologies. In this case gases H2 and 02 enter the cell, but the free acid does not remain immobilized on the acid groups in the membrane. The only reaction product would be the water produced at the cathode. This fact makes the fuel cell lightweight. However, as pointed out by J. Ο'Μ. Bockris, S. M. Khan in Surface Electrochemistry, Plenum Press, New York, 8 71 (1993) The use of acidic solid electrolyte will require the use of platinum as the electrode material.

Este tipo de célula de combustível também foi utilizado pela NASA no programa espacial. No entanto, surgiram, em meados dos anos 1980, os Sistemas de Energia Ballard que revolucionaram este modelo de célula combustível, conforme salientado por K. Prater, Journal of Power Sources, vol. 29, 239 (1990). Este autor foi capaz de diminuir consideravelmente o custo da célula combustível usando uma menor carga de platina, uma nova membrana polimérica condutora de íons constituída por hidrocarboneto perfluorado sulfonado (Dow Chemical) no lugar das resinas Nafion até então utilizadas.This type of fuel cell was also used by NASA in the space program. However, in the mid-1980s Ballard Power Systems emerged that revolutionized this fuel cell model, as pointed out by K. Prater, Journal of Power Sources, vol. 29, 239 (1990). This author was able to considerably lower the cost of the fuel cell using a lower platinum charge, a new ion-conducting polymeric sulfonated hydrocarbon (Dow Chemical) membrane in place of the previously used Nafion resins.

Após, S. Srinivasan, O.A. Velev, A. Parthasarathy, D. J. Manko, e A. J. Appleby, Journal of Power Sources, vol 36, 299 (1991), melhoraram este tipo de célula usando eletrodos de grafite com catalisador à base de platina localizado perto da superfície frontal. Os eletrodos foram impregnados com polímero condutor de prótons prensados à quente sobre a membrana polimérica Dow. Empregando pequenas quantidades de platina (0,4 mg.cm'2), uma densidade de energia máxima de 1,58 W.cm'2 foi obtida, com um potencial de célula de 0,46 V e uma densidade de corrente de 3,41 A.cm'2, em outro experimento obteve-se 0,74 W.cm'2 a 0,73 V e 1.00 A.cm2 Empregando maiores quantidades de Pt (5 mg.cm'2), a densidade de energia foi aumentada numa proporção de 60 a 70%. Quando foi utilizada uma mistura H2/ar ao invés de usar H2/02 o rendimento da célula diminuiu mas ainda foi considerado aceitável.. O combustível considerado ideal para as células de combustível à base de membranas poliméricas é o hidrogênio com contaminação inferior a 50 ppm de monóxido de carbono, concentração considerada limite em termos de contaminação do catalisador de Pt na célula de combustível. Se operada com hidrogênio puro, a emissão de impurezas se reduz a praticamente zero.After, S. Srinivasan, O.A. Velev, A. Parthasarathy, D.J. Manko, and A.J. Appleby, Journal of Power Sources, vol 36, 299 (1991), improved this type of cell using platinum-based catalyst graphite electrodes located near the front surface. The electrodes were impregnated with hot pressed proton conducting polymer on the Dow polymer membrane. Using small amounts of platinum (0.4 mg.cm'2), a maximum energy density of 1.58 W.cm'2 was obtained, with a cell potential of 0.46 V and a current density of 3 .41 A.cm'2, in another experiment 0.74 W.cm'2 at 0.73 V and 1.00 A.cm2 were obtained. Using higher amounts of Pt (5 mg.cm'2), the energy density was increased by 60 to 70%. When an H2 / air mixture was used instead of H2 / 02 the cell yield decreased but was still considered acceptable. The fuel considered ideal for polymer membrane-based fuel cells is hydrogen with contamination of less than 50 ppm. carbon monoxide, a concentration considered as the limit in terms of contamination of the Pt catalyst in the fuel cell. If operated with pure hydrogen, the emission of impurities reduces to practically zero.

As melhorias do tempo de vida da célula de combustível PEM, o aumento de sua tolerância a C02, e o uso de várias estratégias para reduzir a contaminação do ânodo pelo CO, têm qualificado este tipo de célula para a substituição das células de combustível que usam metanol como alimentação, segundo J. Ο'Μ. Bockris, S. O M. Khan in Surface Electrochemistry, Plenum Press, Nova Iorque, 871 (1993) As reações de eletrodo que ocorrem nas células de combustível de membrana polimérica são: Ânodo: H2 ^ 2 H+ + 2 e' Cátodo: % 02 + 2 H+ + 2 e -* H20 Célula: H2 + 1/2 02 H20 As reações que ocorrem nas PEM são semelhantes às reações que ocorrem nas células de combustível de ácido fosfórico, as quais serão descritas a seguir. O hidrogênio é fornecido ao ânodo e o catalisador faz com que se liberem os elétrons do átomo de hidrogênio, criando íons hidrogênio que atravessam a membrana e combinam-se com o oxigênio fornecido no cátodo. Os elétrons liberados dão origem à corrente elétrica, percorrendo o circuito elétrico até atingir o cátodo.Improvements in PEM fuel cell life, increased CO 2 tolerance, and the use of various strategies to reduce anode contamination by CO have qualified this type of cell for replacement of fuel cells that use methanol as a feed, according to J. Ο'Μ. Bockris, S. M. Khan in Surface Electrochemistry, Plenum Press, New York, 871 (1993) The electrode reactions that occur in polymeric membrane fuel cells are: Anode: H2 ^ 2 H + + 2 and 'Cathode:% 02 + 2 H + + 2 and - * H20 Cell: H2 + 1/2 02 H20 The reactions that occur in PEM are similar to the reactions that occur in phosphoric acid fuel cells, which will be described below. Hydrogen is supplied to the anode and the catalyst causes the electrons to be released from the hydrogen atom, creating hydrogen ions that cross the membrane and combine with the oxygen supplied at the cathode. The released electrons give rise to the electric current, running through the electrical circuit until it reaches the cathode.

As Células do Terceiro Tipo são as células de combustível que utilizam ácido fosfórico como eletrólito (PAFCs). J. Ο’Μ Bockris, B. E. Conway, E. Yearger, R. E. White in Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, Nova Iorque, vol. 3, 101 (1981), relatam que este tipo de célula possui as melhores estimativas de custo e tempo de vida. Estas células de combustível empregam soluções aquosas de ácido fosfórico com concentração entre 85 e 100%, tendo uma temperatura de operação na faixa de 175 a 200°C. J. Ο'Μ. Bockris, S. O M. Khan in Surface Electrochemistry, Plenum Press, Nova Iorque, 868 (1993) comentam que a maior vantagem das PAFCs está no alto estado de desenvolvimento tecnológico das mesmas. Devido à baixa condutância do eletrólito e a um coeficiente de difusão de 02 excepcionalmente baixo, sendo necessário trabalhar em temperaturas de 190 a 205°C, para obter condutância suficiente, sendo necessário usar um metal nobre como catalisador. Segundo M. Neergat, A. K. Shukla, Journal of Power Sources, vol. 102, 317 (2001), este tipo de célula tem tido um desenvolvimento considerável nos últimos tempos motivado por um grande esforço para atingir sua comercialização. Seu custo é elevado, mas ainda é mais econômico que diversos outros sistemas utilizados atualmente na geração de energia. Existe uma necessidade de aumentar a densidade de energia da célula e de reduzir seu custo. Tentativas de melhorar o desempenho das células de combustível de ácido fosfórico (PAFCs) têm sido concentradas sobre os eletrodos, catalisadores e sistemas de instalação. Em PAFCs, platina sobre carbono é o catalisador mais comumente utilizado, promovendo a oxidação de hidrogênio no ânodo e redução do oxigênio no cátodo. No entanto, a dissolução da platina heterogeneizada e a corrosão constituem problemas, sobretudo em voltagens de célula acima de 0,8 V. Assim, a reação de redução do oxigênio ocorre no eletrodo de platina. A reação de redução do oxigênio tem sido descrita como sendo Iimitada cineticamente Muitas ligas de platina com metais de transição têm sido estudadas para promoverem a reação de redução do oxigênio, a fim de buscar valores de densidade de energia maiores que 560 mW.cm'2, que é um valor típico para tais células. W. Vielstich in Células de Combustion, Ediciones Urmo, Bilbao, 231 (1973) cita que nas PAFCs a elevação da temperatura não oferece nenhuma vantagem visível ao empregar hidrogênio como combustível pois, se observarmos a relação entre a corrente e a tensão, nota-se uma melhoria insignificante em relação aos valores obtidos na temperatura ambiente. Para poder trabalhar à pressão atmosférica e em temperaturas elevadas, devem-se empregar ácidos concentrados, os quais têm maior viscosidade e, portanto, retardam mais a difusão. Nos ácidos concentrados a 50°C só se alcançam densidades de corrente muito pequenas. A 150°C ainda não se chega aos valores alcançados com ácido sulfúrico 4 N à temperatura ambiente.Third Type Cells are fuel cells that use phosphoric acid as electrolyte (PAFCs). J. Bockris, B. E. Conway, E. Yearger, R. E. White in Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, New York, vol. 3, 101 (1981), report that this cell type has the best cost and lifetime estimates. These fuel cells employ aqueous solutions of 85 to 100% phosphoric acid having an operating temperature in the range of 175 to 200 ° C. J. Ο'Μ. Bockris, S. M. Khan in Surface Electrochemistry, Plenum Press, New York, 868 (1993) comment that the greatest advantage of PAFCs lies in their high state of technological development. Due to the low conductance of the electrolyte and an exceptionally low diffusion coefficient of 02, it is necessary to work at temperatures from 190 to 205 ° C to obtain sufficient conductance, and a noble metal must be used as a catalyst. According to M. Neergat, A. K. Shukla, Journal of Power Sources, Vol. 102, 317 (2001), this type of cell has had a considerable development in recent times motivated by a great effort to reach its commercialization. Its cost is high, but it is still more economical than many other systems currently used in power generation. There is a need to increase the energy density of the cell and reduce its cost. Attempts to improve the performance of phosphoric acid fuel cells (PAFCs) have been concentrated on electrodes, catalysts and installation systems. In PAFCs, platinum over carbon is the most commonly used catalyst, promoting anode hydrogen oxidation and cathode oxygen reduction. However, heterogenized platinum dissolution and corrosion are problems, especially at cell voltages above 0.8 V. Thus, the oxygen reduction reaction occurs at the platinum electrode. Oxygen Reduction Reaction Has Been Described to Be Kinetic Limit Many platinum alloys with transition metals have been studied to promote the oxygen reduction reaction to seek energy density values greater than 560 mW.cm'2 , which is a typical value for such cells. W. Vielstich in Combustion Cells, Ediciones Urmo, Bilbao, 231 (1973) mentions that in PAFCs, temperature elevation offers no visible advantage in employing hydrogen as a fuel because, if we look at the relationship between current and voltage, an insignificant improvement over the values obtained at room temperature. In order to be able to work at atmospheric pressure and at elevated temperatures, concentrated acids should be employed, which have higher viscosity and thus delay diffusion further. In acids concentrated at 50 ° C only very small current densities are achieved. At 150 ° C the values achieved with 4 N sulfuric acid at room temperature are not yet reached.

As reações que ocorrem na PAFC são Ânodo: H2 —> 2 H+ + 2 e' Cátodo: /2 02 + 2 H+ + 2 e' —* H20 Célula: H2 + 14 02 —> H20 No ânodo, o hidrogênio é separado em dois íons H+, que passam do eletrólito para o cátodo, e dois elétrons que passam por um circuito externo para o cátodo. No cátodo, o hidrogênio, elétrons e oxigênio combinam-se formando água (H20).Reactions that occur in PAFC are Anode: H2 -> 2 H + + 2 and 'Cathode: / 2 02 + 2 H + + 2 and' - * H20 Cell: H2 + 14 02 -> H20 At the anode, hydrogen is separated into two H + ions passing from the electrolyte to the cathode and two electrons passing through an external circuit to the cathode. At the cathode, hydrogen, electrons and oxygen combine to form water (H2O).

As Células do Quarto Tipo são células combustíveis de carbonato fundido (MCFC), as quais empregam uma mistura de carbonato de metal alcalino em uma matriz de partículas de cerâmica como eletrólito e níquel poroso como base dos eletrodos, tanto cátodo como ânodo, conforme descrito por J. O M Bockris, B. E. Conway, E. Yearger, R. E. White in Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, Nova Iorque, vol. 3, 102 (1981), Os carbonatos são sais os que fundem a uma temperatura apropriada às condições de funcionamento das células de combustível. Nestas condições, no cátodo coexistem o óxido metálico e os íons 02‘, como descrito por W. Vielstich in Células de Combustion, Ediciones Urmo, Bilbao, 214 (1973). 2 M+ + 1/2 02 + 2 e' M20 -> 2 M+ + O2" As plantas de energia empregando células combustível de carbonato fundido têm várias vantagens sobre outros sistemas que usam células ácidas, devido à sua alta densidade de energia e às voltagens mais elevadas do que com aquelas obtidas com células ácidas. O processador de combustível é simples desde que a célula seja tolerante ao monóxido de carbono e o processo de reforma possa ocorrer dentro da célula combustível. Como resultado, o reformador e conversor de deslocamento não são necessários. Altas eficiências são alcançadas devido ao processo de absorção de calor pela reforma, o qual será fornecido in situ pelo aquecimento produzido pelos eletrodos da célula. Além disto, a água é removida somente pelo ânodo da célula de carbonato fundido, ao i nvés d e ser retirada p or a mbos o s eletrodos, permitindo o uso de condensadores pequenos e de menor custo, simplificando o controle do sistema. A célula de combustível operando à alta temperatura (600-750°C) permite o uso de processo gasoso de resfriamento (ao trabalharem em temperaturas mais baixas, as células ácidas requerem um líquido refrigerante em separado). Em grandes sistemas, é antecipado que o aumento da eficiência pode ser resultado da recuperação do calor desperdiçado, em condições de gerar vapor para ser usado em uma turbina a vapor ou como elemento de processos a vapor, conforme salientado por J. 0’M Bockris, B. E. Conway, E. Yearger, R. E. White in Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, Nova Iorque, vol. 3, 102 (1981).Fourth Type Cells are molten carbonate fuel cells (MCFCs), which employ a mixture of alkali metal carbonate in a matrix of ceramic particles such as electrolyte and porous nickel as the base of both cathode and anode electrodes, as described by J. OM Bockris, BE Conway, E. Yearger, RE White in Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, New York, vol. 3, 102 (1981). Carbonates are salts which melt at a temperature appropriate to the operating conditions of fuel cells. Under these conditions, metal oxide and 02 í ions coexist at the cathode, as described by W. Vielstich in Combustion Cells, Ediciones Urmo, Bilbao, 214 (1973). 2 M + + 1/2 02 + 2 and 'M20 -> 2 M + + O2 "Power plants employing fused carbonate fuel cells have several advantages over other acid cell systems due to their high energy density and voltages. higher than those obtained with acid cells.The fuel processor is simple as long as the cell is carbon monoxide tolerant and the reforming process can take place inside the fuel cell.As a result, the reformer and displacement converter are not High efficiencies are achieved due to the heat absorption process by reforming, which will be provided in situ by the heating produced by the cell electrodes.In addition, water is removed only by the molten carbonate cell anode through be removed by both electrodes, allowing for the use of small, lower cost capacitors, simplifying system control. Operating at a high temperature (600-750 ° C) allows the use of gaseous cooling process (when working at lower temperatures, acid cells require a separate coolant). In large systems, it is anticipated that increased efficiency may be the result of wasted heat recovery, steam generating conditions for use in a steam turbine or as a steam process element, as noted by J. O'Bockris , BE Conway, E. Yearger, RE White in Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, New York, vol. 3, 102 (1981).

Uma MCFC tem a vantagem de necessitar menor quantidade de catalisador porque opera à temperatura de 650°C. A célula opera com um ânodo de níquel e um cátodo poroso de NiO litiado, .A célula pode operar diretamente com gases obtidos a partir do carvão. A eficiência máxima se situa em torno de 65%. O uso das células MCFC foi iniciado por Mond e Langer em 1889. Foi amplamente desenvolvida por Broers entre 1930 e 1960 na Holanda, o qual contribuiu muito, principalmente para o aumento do tempo de vida (>40.000 horas), como relatado por J. Ο'Μ. Bockris, S. O M. Khan in Surface Electrochemistry, Plenum Press, Nova Iorque, 868 (1993).An MCFC has the advantage of requiring less catalyst because it operates at a temperature of 650 ° C. The cell operates with a nickel anode and a porous lithium NiO cathode. The cell can operate directly with gases obtained from coal. Maximum efficiency is around 65%. The use of MCFC cells was started by Mond and Langer in 1889. It was widely developed by Broers between 1930 and 1960 in the Netherlands, which contributed greatly, mainly to the increase in life span (> 40,000 hours), as reported by J. Ο'Μ. Bockris, S. M. Khan in Surface Electrochemistry, Plenum Press, New York, 868 (1993).

As reações que ocorrem na célula são Ânodo: H2 + C032' —> H20 + C02 + 2e' Cátodo: ½ 02 + C02 + 2 e" —> CO32' Célula: H2 + 1/2 02 + C02 H2Q + C02 No ânodo processa-se uma reação entre o hidrogênio e os íons carbonato (C032') do eletrólito que produzem água e dióxido de carbono (C02), ocorrendo liberação de elétrons para o ânodo. No cátodo o oxigênio e o dióxido de carbono (C02) da corrente do oxidante combinam-se com elétrons do cátodo para formar água.The reactions that occur in the cell are Anode: H2 + C032 '-> H20 + C02 + 2e' Cathode: ½ 02 + C02 + 2 and "-> CO32 'Cell: H2 + 1/2 02 + C02 H2Q + C02 At Anode A reaction occurs between hydrogen and carbonate ions (C032 ') of the electrolyte that produce water and carbon dioxide (C02), and electrons are released to the anode. At the cathode oxygen and carbon dioxide (C02) oxidant current combine with cathode electrons to form water.

Na reação anódica se forma óxido ácido e se origina ao mesmo tempo, dependendo do combustível, C02 e/ou vapor de água. Muitos dos óxidos formados, como os halogenetos de hidrogênio, saem com os produtos originados da reação anódica. Outros permanecem na massa fundida ou precipitam. Em qualquer caso, se origina um gradiente de concentração que não pode se equilibrar por difusão de uma maneira suficientemente rápida. W. Vielstich in Células de Combustion, Ediciones Urmo, Bilbao, 214 (1973). O oxigênio é transportado do cátodo ao ânodo na forma de íons carbonato. Os eletrólitos sólidos são escolhidos pelos seus números de transporte dos íons oxigênio, de modo que estes sejam os mais próximos a um evitando assim variações de concentração nos eletrodos.In the anodic reaction acid oxide forms and originates at the same time, depending on the fuel, CO2 and / or water vapor. Many of the oxides formed, such as hydrogen halides, come out with products derived from the anodic reaction. Others remain in the melt or precipitate. In either case, a concentration gradient is generated which cannot diffuse equilibrium fast enough. W. Vielstich in Combustion Cells, Urcion Editions, Bilbao, 214 (1973). Oxygen is transported from the cathode to the anode as carbonate ions. Solid electrolytes are chosen for their oxygen ion transport numbers so that they are closest to one, thus avoiding variations in electrode concentration.

As Células do Quinto Tipo são células de combustível de óxido sólido (SOFC). Esta célula de eletrólito sólido é essencialmente uma célula de combustível H2/02 com um material óxido cerâmico, sólido, servindo como eletrólito. Neste caso o mecanismo de condução iônica, envolvido no transporte iônico de oxigênio ocorre via deficiências aniônicas no retículo cristalino do óxido sólido.Fifth Type Cells are solid oxide fuel cells (SOFC). This solid electrolyte cell is essentially an H2 / 02 fuel cell with a solid ceramic oxide material serving as an electrolyte. In this case the ionic conduction mechanism involved in ionic oxygen transport occurs via anionic deficiencies in the crystalline reticulum of the solid oxide.

Segundo J. Ο’Μ Bockris, B. E. Conway, E. Yearger, R. E. White in Comprehensive Treatise of Electrochemistry vol. 3, 102 (1981), as altas temperaturas (~1000°C) das células combustíveis de eletrólito óxido têm vantagens sobre outros tipos de células combustíveis como não existem líquidos envolvidos e, conseqüentemente, os problemas associados com inundação e manutenção do poro de uma interface estável de três fases são evitados. Além disto, a composição do eletrólito é variável e independente da composição do combustível e corrente oxidante e a polarização é menor ou mesmo desprezível., Plantas energéticas empregando células de combustível usando células de eletrólitos sólidos são projetadas para ter uma alta eficiência através da integração direta com um sistema processador de combustível. Assim como as células combustíveis de carbonato fundido, a célula é tolerante ao monóxido de carbono, e o reformador pode obter lugar na célula; o sistema processador de combustível de uma célula de eletrólito sólido é assim relativamente simplificado em relação a um sistema de célula ácida, conforme mostrado por J. Ο’Μ Bockris, B. E. Conway, E. Yearger, R. E. White in Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, Nova Iorque, vol. 3, 103 (1981). Segundo O. Yamamoto, Electrochimica Acta vol. 45, 2423 (2000) as SOFCs possuem um potencial extraordinário para uso como sistemas geradores de energia elétrica, devido sua alta conversão de energia, com eficiência na faixa de 65%, sendo que quando integrada a um sistema de energia(com turbina de combustão, sua eficiência aumenta para 70%. Prevê-se que esta alta eficiência contribuirá consideravelmente para a redução de emissão de C02. A voltagem de célula, a 1000°C, é de cerca de 1.0 V, para uma célula SOFC com hidrogênio puro e ar, conforme O. Yamamoto, Electrochimica Acta vol. 45, 2423 (2000).According to J. Bockris, B. E. Conway, E. Yearger, R. E. White in Comprehensive Treatise of Electrochemistry vol. 3, 102 (1981), the high temperatures (~ 1000 ° C) of oxide electrolyte fuel cells have advantages over other types of fuel cells as there are no liquids involved and consequently the problems associated with flooding and maintaining the pore of a Stable three-phase interface are avoided. In addition, electrolyte composition is variable and independent of fuel and oxidant current composition and polarization is minor or even negligible., Energy plants employing fuel cells using solid electrolyte cells are designed to have high efficiency through direct integration. with a fuel processor system. Like molten carbonate fuel cells, the cell is carbon monoxide tolerant, and the reformer can take place in the cell; The fuel processor system of a solid electrolyte cell is thus relatively simplified relative to an acid cell system as shown by J. Bockris, BE Conway, E. Yearger, RE White in Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, New York, Vol. 3, 103 (1981). According to O. Yamamoto, Electrochimica Acta vol. 45, 2423 (2000) SOFCs have extraordinary potential for use as power generating systems due to their high power conversion, with efficiency in the range of 65%, and when integrated into a power system (with combustion turbine This efficiency is expected to increase to 70%, and it is anticipated that this high efficiency will considerably contribute to the reduction of CO2 emissions. The cell voltage at 1000 ° C is about 1.0 V for a pure hydrogen SOFC cell. according to O. Yamamoto, Electrochimica Acta Vol. 45, 2423 (2000).

Devido à alta temperatura de operação das SOFCs existem muitas limitações em relação ao tipo de material que poderá ser usado tanto como eletrólito quanto como eletrodos. Assim, como materiais para ânodo podem ser utilizados ferro, carbono ou níquel, sendo o último o mais comum devido a sua alta atividade catalítica e baixo custo. O material para cátodo deve ser estável no ambiente de oxidação, ter boa condutividade eletrônica e atividade catalítica suficiente para a redução de oxigênio nas condições de operação da célula. Devido a isto, muitos materiais têm sido estudados, porém um cuidado especial tem sido dedicado à platina devido a sua evaporação à alta temperatura e seu alto custo. Cátodos do tipo Perovskita, PrCo03, têm sido amplamente utilizados devido sua densidade energética estável, porém estes apresentam restrições associadas à sua expansão em altas temperaturas e incompatibilidade com o eletrólito, conforme salientado por O. Yamamoto, Electrochimica Acta, vol. 45, 2423 (2000). O eletrólito em SOFCs além da alta condutividade iônica deve N possuir baixa condutividade eletrônica, ser estável em atmosferas oxidantes e redutoras, ser facilmente modelado a filmes finos compactos, e ter boas propriedades térmicas e mecânicas, além de ter elevada condutividade, conforme salientado por O. Yamamoto, Electrochimica Acta, vol. 45, 2423 (2000). A célula de eletrólito sólido oferece um sistema de planta energética mais simples que a célula de carbonato fundido. Além disso, a alta temperatura de operação da célula diminui o desperdício de vapor e facilita a integração com outras funções da planta. O acoplamento térmico leva a uma alta eficiência para o sistema energético. Na prática, eficiências maiores que 60% são possíveis. Esta eficiência é significativa, já que este tipo de sistema energético emprega carvão preferivelmente ao gás natural, metanol, ou nafta como um combustível. J. Ο’Μ Bockris, B. E. Conway, E. Yearger, R. E. White in Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, Nova Iorque, vol. 3, 103 (1981). Vários estudos têm sido realizados com a finalidade de descobrir eletrólitos para as SOFCs que operem na faixa de temperatura de 500 a 800°C, de modo a que materiais caros, como os cloretos de lantanídeos, sejam substituídos por outros materiais mais baratos Caso as células do tipo SOFC possam operar a 500°C ou abaixo desta temperatura, sua aplicação em veículos elétricos pode ser considerada, como salientado por O. Yamamoto, Electrochimica Acta vol. 45, 2423 (2000).Due to the high operating temperature of SOFCs there are many limitations regarding the type of material that can be used as both electrolyte and electrodes. Thus, as anode materials iron, carbon or nickel can be used, the latter being the most common due to its high catalytic activity and low cost. The cathode material must be stable in the oxidation environment, have good electron conductivity and sufficient catalytic activity for oxygen reduction under cell operating conditions. Because of this, many materials have been studied, but special care has been devoted to platinum due to its high temperature evaporation and its high cost. Perovskite type cathodes, PrCo03, have been widely used due to their stable energy density, but these have restrictions associated with their expansion at high temperatures and incompatibility with the electrolyte, as pointed out by O. Yamamoto, Electrochimica Acta, vol. 45, 2423 (2000). The electrolyte in SOFCs in addition to the high ionic conductivity should have low electron conductivity, be stable in oxidizing and reducing atmospheres, be easily shaped to compact thin films, have good thermal and mechanical properties, and have high conductivity, as stressed by O Yamamoto, Electrochimica Acta, Vol. 45, 2423 (2000). The solid electrolyte cell offers a simpler power plant system than the molten carbonate cell. In addition, the high operating temperature of the cell reduces steam wastage and facilitates integration with other plant functions. Thermal coupling leads to high efficiency for the power system. In practice, efficiencies greater than 60% are possible. This efficiency is significant, as this type of energy system employs coal rather than natural gas, methanol, or naphtha as a fuel. J. Bockris, B. E. Conway, E. Yearger, R. E. White in Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, New York, vol. 3, 103 (1981). Several studies have been conducted to find electrolytes for SOFCs operating in the temperature range of 500 to 800 ° C, so that expensive materials such as lanthanide chlorides are replaced by cheaper materials. of SOFC type can operate at or below 500 ° C, their application in electric vehicles can be considered, as pointed out by O. Yamamoto, Electrochimica Acta vol. 45, 2423 (2000).

Apesar da utilização de vários eletrólitos com a finalidade de diminuir a temperatura de operação da SOFC, até agora se conseguiu 0.7 Va 550°C.Despite the use of various electrolytes to lower the operating temperature of SOFC, so far 0.7 Va 550 ° C has been achieved.

As reações que ocorrem na SOFC são Ânodo: 2 H2 + O2' ^ 2 H20 + 4 e' Cátodo: 02 + 4 e" -» 2 O2' Célula: 2 H2 + 02 ^ 2 H20 O hidrogênio reage com íons óxidos (O2') do eletrólito produzindo água depositando elétrons (e') no ânodo. Os elétrons são transportados para fora da célula de combustível e voltam ao cátodo onde o oxigênio do ar recebe elétrons e é convertido em íons óxidos que são injetados no eletrólito. O uso de células de combustível do sexto tipo é o objeto central desta patente, na qual são detalhadas as características operacionais do uso de líquidos iônicos como eletrólitos não voláteis, de elevada condutividade, estáveis em amplo intervalo de temperaturas, constituindo um avanço tecnológico considerável em relação às células de combustível até hoje disponíveis comercialmente.The reactions that occur in SOFC are Anode: 2 H2 + O2 '^ 2 H20 + 4 and' Cathode: 02 + 4 and "-» 2 O2 'Cell: 2 H2 + 02 ^ 2 H20 Hydrogen reacts with oxide ions (O2 ') of the electrolyte producing water by depositing electrons (e') in the anode. The electrons are transported out of the fuel cell and back to the cathode where oxygen from the air receives electrons and is converted into oxide ions that are injected into the electrolyte. of sixth type fuel cells is the central object of this patent, in which the operational characteristics of the use of ionic liquids as high conductivity non-volatile electrolytes stable over a wide temperature range are detailed, constituting a considerable technological advance over the fuel cells to date commercially available.

Segundo Y. ito, T. Nohira, Electrochimica Acta, vol. 45, 2611 (2000), a utilização de líquidos iônicos é vantajosa pelo fato deles serem eletrólitos apróticos e possuírem uma ampla janela eletroquímica. Muitos destes sais fundidos apresentam uma faixa de potencial na qual são estáveis tão ampla que a deposição de metais alcalinos (limite catódico) e a evolução de gás halogênio (limite anódico) constituem seus limites de operação. Tais valores de janela eletroquímica utilizando como materiais de eletrodos platina e carbono vítreo também foram estudados por P. A. Z. Suarez, C. S. Consorti, R. F. de Souza, J. Dupont, R. S. Gonçalves, Journal of the Brazilian Chemical, vol. 13, 106 (2002). Líquidos iônicos têm sido amplamente estudados como eletrólitos de alta densidade de energia em baterias, conforme descrito por Y. Ito, T. Nohira, Electrochimica Acta, vol. 45, 2611 (2000). Porém não há relato na literatura sobre a utilização destes líquidos iônicos em células de combustível, objeto deste pedido de privilégio.According to Y. ito, T. Nohira, Electrochimica Acta, vol. 45, 2611 (2000), the use of ionic liquids is advantageous in that they are aprotic electrolytes and have a large electrochemical window. Many of these molten salts have a potential range in which they are stable so wide that alkali metal deposition (cathodic limit) and halogen gas evolution (anodic limit) constitute their operating limits. Such electrochemical window values using as platinum and glassy carbon electrode materials were also studied by P. A. Z. Suarez, C. Consorti, R. F. de Souza, J. Dupont, R. S. Gonçalves, Journal of the Brazilian Chemical, vol. 13, 106 (2002). Ionic liquids have been widely studied as high energy density electrolytes in batteries, as described by Y. Ito, T. Nohira, Electrochimica Acta, vol. 45, 2611 (2000). However, there is no report in the literature about the use of these ionic liquids in fuel cells, object of this request for privilege.

SUMÁRIOSUMMARY

De um modo geral, a presente invenção diz respeito a células de combustível utilizando novos eletrólitos que compreende o uso de líquido iônico ou sal fundido à temperatura ambiente como eletrólito.Generally, the present invention relates to fuel cells using novel electrolytes comprising the use of ionic liquid or molten salt at room temperature as electrolyte.

Deste modo, a presente invenção provê a utilização de um novo eletrólito que permite à célula de combustível operar a baixas temperaturas com uma eficiência muito maior do que os tipos de células atualmente conhecidas.Thus, the present invention provides for the use of a novel electrolyte that allows the fuel cell to operate at low temperatures with much greater efficiency than currently known cell types.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO A célula de combustível, objeto da presente patente de invenção, emprega eletrodos padrão, como por exemplo eletrodos de prata e de platina, sendo o espaço entre os eletrodos ocupado por eletrólitos líquidos iônicos, que pode ser um sal de amônio, preferencialmente um composto do tipo sal obtido pela reação entre o 1-metil-3-n-butií-imidazólio [de fórmula C9H17N2CI] e um sal de metal alcalino como NaBF4, KBF4, NaPF6 ou KPF6, conforme apresentado na Figura 1 abaixo; um sal de fosfônio, preferencialmente um sal de amônio quaternário como o bistrifluorometanosulfonilamidato de triciclohexil-tetradecil-fosfônio ou seus derivados; ou qualquer líquido iônico que tenha elevada condutividade elétrica, baixa viscosidade e elevada estabilidade química, e empregando como gases o hidrogênio e o oxigênio ou ar. A Figura 1 abaixo apresenta a estrutura do líquido iônico à base de dialquilimidazólio, onde Ri e R2 são, independentemente, grupamentos alquila como metila, etila, propila ou qualquer grupamento alquila com fórmula CnH2n+i e o grupamento X é um ânion não coordenante como, por exemplo, o tetrafluoroborato ou o hexafluorofosfato. FIGURA 1: Estrutura do líquido iônico à base de dialquilimidazólio Experimentalmente, uma célula de combustível comercial, com volume interno de 500 mL, foi continuamente alimentada com hidrogênio e oxigênio ou ar, na pressão de trabalho escolhida, sendo realizadas medidas do potencial a circuito aberto e potencial sob diferentes cargas, empregando-se uma resistência variável e medindo-se a corrente obtida. A temperatura é escolhida e mantida constante através do uso de banho termostático de circulação.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The fuel cell object of the present invention employs standard electrodes, such as silver and platinum electrodes, the space between the electrodes being occupied by ionic liquid electrolytes, which may be an ammonium salt, preferably a salt-like compound obtained by the reaction between 1-methyl-3-n-butylimidazolium [of formula C9H17N2Cl] and an alkali metal salt such as NaBF4, KBF4, NaPF6 or KPF6 as shown in Figure 1 below; a phosphonium salt, preferably a quaternary ammonium salt such as tricyclohexyl tetradecyl phosphonium bistrifluoromethanesulfonylamidate or derivatives thereof; or any ionic liquid that has high electrical conductivity, low viscosity and high chemical stability, and employing hydrogen and oxygen or air as gases. Figure 1 below shows the structure of the dialkylimidazole ionic liquid, where R1 and R2 are independently alkyl groups such as methyl, ethyl, propyl or any alkyl group of formula CnH2n + ie and group X is a non-coordinating anion as, for example. for example, tetrafluoroborate or hexafluorophosphate. FIGURE 1: Structure of the dialkylimidazole ionic liquid Experimentally, a commercial fuel cell with an internal volume of 500 mL was continuously supplied with hydrogen and oxygen or air at the chosen working pressure and open-loop potential measurements were taken. and potential under different loads, using a variable resistance and measuring the current obtained. The temperature is chosen and kept constant through the use of a thermostatic circulation bath.

Os exemplos a seguir apresentam o desempenho e potencialidades do processo de produção de uma célula de combustível objeto da presente invenção. EXEMPLO 1 Numa célula de combustível comercial, de volume interno de 500 mL, foram colocados 100 mL de tetrafluoroborato de 1-butil-metil-imidazólio seco. O sistema foi alimentado com gás combustível puro, hidrogênio, e gás oxidante puro, oxigênio, o qual foi operado à temperatura ambiente, 27°C. O potencial da célula (E) foi medido em diferentes condições de carga, isto é, em circuito aberto (l=0 A) até uma condição de uso típica variando de décimos de miliampéres (mA) até aproximadamente 10 mA. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 2 abaixo.The following examples show the performance and potential of the fuel cell production process object of the present invention. EXAMPLE 1 In a commercial fuel cell with an internal volume of 500 mL, 100 mL of dry 1-butyl methyl imidazolium tetrafluoroborate was placed. The system was fed with pure fuel gas, hydrogen, and pure oxidizing gas, oxygen, which was operated at room temperature, 27 ° C. Cell potential (E) was measured under different load conditions, ie open circuit (l = 0 A) to a typical use condition ranging from tenths of milliamps (mA) to approximately 10 mA. The results obtained are presented in Table 2 below.

Tabela 2: Desempenho de Célula de Combustível comercial com eletrólito tetrafluoroborato de 1 -butil-3-metil-imidazólio, seco, à 27°C e operando sob pressão atmosférica de 02 e de H2.Table 2: Commercial Fuel Cell Performance with dry 1-butyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborate electrolyte at 27 ° C and operating under atmospheric pressure of 02 and H2.

Sendo E o potencial de célula em volts (V); I a corrente gerada pela reação da célula, em miliampéres (mA); e P a potência da célula calculada pelo produto E x I, em miliwatts (mW). A eficiência total da célula foi calculada levando-se em consideração parâmetros termodinâmicos e operacionais, de acordo com J. Ο’Μ Bockris, B. E. Conway, E. Yearger, R. E. White in Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, Nova Iorque, vol. 3, 49, (1981), aplicando a fórmula ε0 = ε, εν sf , onde ε0 é a eficiência total, ε, é a eficiência térmica, cujo valor para o sistema H2/02 é de 0,830, εν é a eficiência de tensão obtida a partir da relação entre o potencial de célula (E/V) e o potencial reversível (Er = 1,229 V) e 8f é a eficiência faradaica, obtida pela relação entre a corrente que flui na célula (I) e a corrente teórica máxima esperada (lm); considerada unitária visto que não ocorrem reações paralelas sobre a superfície do eletrodo. O valor obtido neste caso foi de 55,5%. EXEMPLO 2 O Exemplo 2 permite avaliar o efeito da temperatura sobre o desempenho da célula com o líquido iônico tetrafluoroborato de 1-butil-3-metil-imidazólio (BMI.BF4).Where E is the cell potential in volts (V); I is the current generated by the cell reaction, in milliamperes (mA); and P is the cell power calculated by the product E x I in milliwatts (mW). Total cell efficiency was calculated by taking into account thermodynamic and operational parameters, according to J. Bockris, B. Conway, E. Yearger, R. E. White in Comprehensive Treatise of Electrochemistry, Plenum Press, New York, vol. 3, 49, (1981), applying the formula ε0 = ε, εν sf, where ε0 is the total efficiency, ε is the thermal efficiency, whose value for the H2 / 02 system is 0.830, εν is the voltage efficiency obtained from the relation between the cell potential (E / V) and the reversible potential (Er = 1,229 V) and 8f is the faradaic efficiency, obtained by the relation between the current flowing in the cell (I) and the maximum theoretical current expected (lm); considered unitary since no parallel reactions occur on the electrode surface. The value obtained in this case was 55.5%. EXAMPLE 2 Example 2 allows to evaluate the effect of temperature on cell performance with 1-butyl-3-methyl-imidazolium ionic liquid tetrafluoroborate (BMI.BF4).

Numa célula de combustível comercial como a descrita no exemplo 1 foram colocados 100 mL de tetrafluoroborato de 1-metil-3-n-butil-imidazó!io seco. O sistema foi alimentado com gás combustível puro (hidrogênio), e gás oxidante puro (oxigênio), sendo a célula operada a três temperaturas distintas, a saber, 27°C, 40°C e 60°C. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 2 abaixo.In a commercial fuel cell as described in Example 1, 100 ml of dry 1-methyl-3-n-butyl imidazole tetrafluoroborate was placed. The system was supplied with pure fuel gas (hydrogen) and pure oxidizing gas (oxygen). The cell was operated at three different temperatures, namely 27 ° C, 40 ° C and 60 ° C. The results obtained are presented in Table 2 below.

Tabela 3: Desempenho de Célula de Combustível comercial com eletrólito tetrafluoroborato de 1-butil-3-metil-imidazólio seco à 27°C, 40°C e 60°C.Table 3: Commercial Fuel Cell Performance with Dry 1-Butyl-3-methyl-imidazolium Tetrafluoroborate Electrolyte at 27 ° C, 40 ° C and 60 ° C.

onde P é a potência da célula calculada pelo produto E x Iwhere P is the cell power calculated by the product E x I

De acordo com a Tabela 3, foram obtidas efíciências de célula de 55,5% para uma operação à 27°C, 33,3% à 40°C e 28,8% à 60°C. Isto mostrou que aumentando a temperatura de operação da célula diminui seu desempenho. EXEMPLO 3 Efeito da Concentração de oxigênio no desempenho da célula de combustível operando com o líquido iônico tetrafluoroborato de 1-butil-3-metil-imidazólio (BMI.BF4) Numa célula de combustível comercial como a descrita no exemplo 1 são colocados 100 mL de tetrafluoroborato de 1-metil-3-n-butil-imidazólio seco. O sistema foi alimentado com gás combustível puro (hidrogênio), e com o gás oxidante (oxigênio puro ou ar comprimido), operando à temperatura ambiente de 27°C. Os resultados obtidos do sistema operando com oxigênio puro ou ar comprimido são apresentados na Tabela 4 abaixo.According to Table 3, cell efficiencies of 55.5% were obtained for an operation at 27 ° C, 33.3% at 40 ° C and 28.8% at 60 ° C. This showed that increasing the operating temperature of the cell decreases its performance. EXAMPLE 3 Effect of Oxygen Concentration on Fuel Cell Performance Operating with 1-Butyl-3-Methyl-Imidazole Tetrafluoroborate Ionic Liquid (BMI.BF4) In a commercial fuel cell as described in Example 1, 100 mL of Dry 1-methyl-3-n-butyl imidazolium tetrafluoroborate. The system was supplied with pure fuel gas (hydrogen) and oxidizing gas (pure oxygen or compressed air) operating at an ambient temperature of 27 ° C. The results obtained from the system operating on pure oxygen or compressed air are presented in Table 4 below.

Tabela 4: Desempenho de Célula de Combustível comercial com eletrólito tetrafluoroborato de 1-butil-3-metil-imidazólio seco à 27°C utilizando oxigênio puro ou ar comprimido. onde P é a potência da célula calculada pelo produto E x De acordo com os dados constantes na Tabela 4 acima, a eficiência da célula diminui quando utiliza-se maior concentração de 02. A eficiência obtida com 02 puro foi de 55,5% e com ar comprimido foi de 67,7%. EXEMPLO 4 Efeito da concentração de água no desempenho da célula de combustível com líquido iônico tetrafluoroborato de 1 -butil-3-metil-imidazólio (BMI.BF4) utilizando ar comprimido.Table 4: Commercial Fuel Cell Performance with 1-Butyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborate electrolyte dried at 27 ° C using pure oxygen or compressed air. where P is the cell power calculated by the product E x According to the data in Table 4 above, the cell efficiency decreases when higher concentration of 02 is used. The efficiency obtained with pure 02 was 55.5% and with compressed air was 67.7%. EXAMPLE 4 Effect of water concentration on fuel cell performance with 1-butyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborate ionic liquid (BMI.BF4) using compressed air.

Numa célula de combustível comercial como a descrita no exemplo 1 são colocados 100 mL de tetrafluoroborato de 1-metil-3-n- butil-imidazólio. O sistema foi alimentado com gás combustível puro (hidrogênio), e como gás oxidante utilizamos ar comprimido. O sistema operou à temperatura ambiente, 27°C. Os resultados obtidos com a célula de combustível operando com líquido iônico sem adição de água, com adição de 10%^ (v/v) e, com adição de 20% (v/v) de água ultrapura são apresentados na Tabela 5 abaixo.In a commercial fuel cell as described in example 1, 100 ml of 1-methyl-3-n-butyl imidazolium tetrafluoroborate is placed. The system was fed with pure fuel gas (hydrogen), and as oxidizing gas we use compressed air. The system operated at room temperature, 27 ° C. The results obtained with the fuel cell operating with ionic liquid without addition of water, with addition of 10% (v / v) and with addition of 20% (v / v) of ultrapure water are presented in Table 5 below.

Tabela 5: Desempenho de Célula de Combustível Astris com eletrólito tetrafluoroborato de 1-butil-3-metil-imidazólio sem adição de água, com a adição de 10% (v/v) de água e com adição de 20% (v/v) de água à 27°C utilizando ar comprimido.Table 5: Astris Fuel Cell Performance with 1-Butyl-3-methyl-imidazole tetrafluoroborate electrolyte with no water added, with 10% (v / v) water added and 20% (v / v) added ) of water at 27 ° C using compressed air.

De acordo com os resultados constantes na Tabela 5, foram obtidas eficiências de 67,7% para o líquido iônico sem adição de água, 46,9% para o líquido iônico com adição de 10% (v/v) de água e 42,4% para o líquido iônico com adição de 20% (v/v) de água, caracterizando que a adição de água ao sistema diminui a eficiência total da célula de combustível, apesar da diminuição da viscosidade. EXEMPLO 5 Efeito da utilização de outro líquido iônico, como o bistrifluorometanosulfonilamidato de triciclohexil-tetradecil-fosfônio, sobre o desempenho da célula de combustível, sem adição de água e à temperatura ambiente.According to the results shown in Table 5, efficiencies of 67.7% were obtained for ionic liquid without added water, 46.9% for ionic liquid with added 10% (v / v) water and 42, 4% for the ionic liquid with the addition of 20% (v / v) water, characterizing that the addition of water to the system decreases the overall fuel cell efficiency despite the decrease in viscosity. EXAMPLE 5 Effect of the use of another ionic liquid, such as tricyclohexyl tetradecyl phosphonium bistrifluoromethanesulfonylamidate, on fuel cell performance without addition of water and at room temperature.

Numa célula de combustível comercial como a descrita no exemplo 1 são colocados 100 mL de bistrifluorometanosulfonilamidato de triciclohexil-tetradecil-fosfônio sem adição de água. O sistema foi alimentado com gás combustível puro (hidrogênio) e gás oxidante puro (oxigênio), à temperatura ambiente, sendo os resultados obtidos apresentados na Tabela 6 abaixo.In a commercial fuel cell as described in Example 1 100 ml of tricyclohexyl tetradecyl phosphonium bistrifluoromethanesulfonyl amidate are added without water. The system was fed with pure fuel gas (hydrogen) and pure oxidizing gas (oxygen) at room temperature. The results are presented in Table 6 below.

Tabela 6: Desempenho de Célula de Combustível comercial com eletrólito bistrifluorometanosulfonilamidato de triciclohexil-tetradecil-fosfônio sem adição de água e à temperatura ambiente.Table 6: Commercial Fuel Cell Performance with tricyclohexyl tetradecyl phosphonium bistrifluoromethanesulfonylamidate electrolyte without addition of water and at room temperature.

Nas condições apresentadas na Tabela 6 acima, foi obtida uma eficiência de célula de 51% para uma operação à temperatura ambiente. EXEMPLO 6: Numa célula de combustível comercial como a descrita no exemplo 1 são colocados 100 mL de bistrifluorometanosulfonilamidato de triciclohexil-tetradecil-fosfônio com adição de 50% (v/v) de água ultrapura. O sistema foi alimentado com gás combustível puro (hidrogênio) e gás oxidante puro (oxigênio), operando nas temperaturas de 27°C, 40°C e 60°C. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 7 abaixo.Under the conditions shown in Table 6 above, a cell efficiency of 51% was obtained for room temperature operation. EXAMPLE 6: In a commercial fuel cell as described in Example 1, 100 mL of tricyclohexyl tetradecyl phosphonium bistrifluoromethanesulfonylamidate is added with 50% (v / v) addition of ultrapure water. The system was supplied with pure fuel gas (hydrogen) and pure oxidizing gas (oxygen), operating at temperatures of 27 ° C, 40 ° C and 60 ° C. The results obtained are presented in Table 7 below.

Tabela 7: Desempenho de Célula de Combustível com eletrólito bistrifluorometanosulfonilamidato de triciclohexil-tetradecil-fosfônio, com adição de 50% (v/v) de água pura, à temperatura de 27°C, 40°C e 60°C.Table 7: Fuel cell performance with tricyclohexyl tetradecyl phosphonium bistrifluoromethanesulfonylamidate electrolyte, with addition of 50% (v / v) pure water at 27 ° C, 40 ° C and 60 ° C.

onde P é a potência da céluia calculada pelo produto E x Iwhere P is the power of the cell calculated by the product E x I

De acordo com os resultados apresentados na Tabela 7 acima, foram obtidas eficiências de célula de 39,6% para uma operação à 27°C; 42,6% à 40°C e 39,0% à 60°C, sendo constatado que a adição de água praticamente não alterou a eficiência total da célula de combustível com bistrifluorometanosulfonilamidato de triciclohexil-tetradecil-fosfônio. EXEMPLO 7 Numa célula de combustível comercia! como a descrita no exemplo 1 são colocados 100 mL de hexafluorofosfato de 1-metil-3-n-butil-imidazólio (BMI.PF6). O sistema foi alimentado com gás combustível puro, hidrogênio, e ar comprimido como gás oxidante, operando à temperatura ambiente. Os resultados obtidos do sistema operando com líquido iônico seco, com 5% e 10% de água ultrapura são apresentados na Tabela 8 abaixo.According to the results presented in Table 7 above, cell efficiencies of 39.6% were obtained for a 27 ° C operation; 42.6% at 40 ° C and 39.0% at 60 ° C, with the addition of water scarcely altering the total fuel cell efficiency with tricyclohexyl tetradecyl phosphonium bistrifluoromethanesulfonylamidate. EXAMPLE 7 In a Commercial Fuel Cell! as described in example 1, 100 ml of 1-methyl-3-n-butyl imidazolium hexafluorophosphate (BMI.PF6) is placed. The system was fed with pure fuel gas, hydrogen, and compressed air as oxidizing gas, operating at room temperature. The results obtained from the system operating with dry ionic liquid with 5% and 10% ultrapure water are presented in Table 8 below.

Tabela 8: Desempenho de Célula de Combustível comercial com eletrólito hexafluorofosfato de 1-butil-3-metil-ímidazólio seco, com 5% e 10% de água à temperatura ambiente, utilizando ar comprimido. onde P é a potência da célula ca culada pelo produto E x I De acordo com o apresentado na Tabela 8, foram obtidas eficiências de 28,2% para hexafluorofosfato de 1 -butil-3-metil-imidazólio seco, 14,5% para hexafluorofosfato de 1 -butil-3-metil-imidazólio com 5% de água, 16,6% para hexafluorofosfato de 1-butil-3-metil-imidazólio com 10% de água.Table 8: Commercial Fuel Cell Performance with Dry 1-Butyl-3-Methylimidazole Hexafluorophosphate Electrolyte with 5% and 10% room temperature water using compressed air. where P is the potency of the cell calculated by the product E x I According to Table 8, efficiencies of 28.2% were obtained for dry 1-butyl-3-methylimidazole hexafluorophosphate, 14.5% for 1-butyl-3-methyl-imidazolium hexafluorophosphate with 5% water, 16.6% for 1-butyl-3-methyl-imidazolium hexafluorophosphate with 10% water.

ReivindicaçõesClaims

Claims

1. FUEL CELLS, characterized by being a chemical energy to electrical energy converter device, composed of standard electrodes, preferably silver and platinum, used as gases hydrogen, oxygen or air in electrolysis processes, and molten salt electrolytes. or ionic liquid having high electrical conductivity, low viscosity, high chemical stability selected from the quaternary ammonium salts of formula I below, where Rt and R2 are independently alkyl groups such as methyl, ethyl, propyl or any alkyl group of formula CnH2r, + 1 and group X is a non-coordinating anion of the type BF4 'and PF6 and phosphonium salts consisting of tricyclohexytetradecylphosphonium bistrifluoromethanesulfonylamidate and its derivatives. Formula I

FUEL CELLS according to claim 1, characterized in that the ionic liquid, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate comprises water between 5% and 20% (v / v).

FUEL CELLS according to claims 1 and 2, characterized in that the fuel cell operates with ionic liquids preferably at temperatures between 25 ° C and 60 ° C.