Bolsa de Iniciação Científica em Células Combustíveis

Scientific Initiation in Fuel Cells

• Resumo Summary

  Espera-se que a pesquisa de iniciação cientifica seja desenvolvida em colaboração com pesquisadores do projeto 13 do programa de Físico Química do Research Centre for Gas Innovation – RCGI da USP (programa e projetos estão disponíveis no site do RCGI www.usp.br/rcgi). 

  O impacto ambiental dos combustíveis fósseis bem como a sua finitude tem impulsionado o desenvolvimento de formas alternativas de obtenção de energia. Neste contexto, as células combustíveis (ou fuel cells) são uma tecnologia promissora por utilizarem, como reagentes para produção de energia elétrica, gases facilmente encontrados na atmosfera, ou produzidos em reações de outras naturezas (H2 e O2), emitindo apenas água (H2O), molécula não poluente e que pode ser utilizada em outros processos. Um problema relacionado a esse tipo de equipamento é a exigência de uma fonte de hidrogênio de alta pureza (99,999% em massa), já que pequenas frações de contaminantes como, por exemplo, o monóxido de carbono, podem danificar o catalisador da célula e diminuir sua vida útil. Para alcançar tal pureza, a indústria aplica uma série de processos de separação que acabam por aumentar o custo do hidrogênio combustível.

  O objetivo deste projeto é propor e estudar processos de purificação de hidrogênio a partir do gás de síntese, que alcancem as concentrações necessárias de H2 e CO de alimentação das células combustíveis. A análise dos diversos processos de purificação será realizada utilizando o software comercial de simulação de processos Aspen Plus®. Serão avaliadas as condições de operação e estudados os cenários econômicos e ambientais dos distintos processos propostos, verificando sua viabilidade. 

  As fuelcells (ou células combustíveis) requerem gás hidrogênio com alto grau de pureza e concentrações de monóxido de carbono (CO) e compostos sulfúricos inferiores a um limite pré-estabelecido, que varia de acordo com o tipo de célula empregada. Dentre as tecnologias existentes para a purificação de gases, apenas quatro são capazes de atingir o alto grau de pureza necessário. Dentre elas há processos capazes de diminuir a concentração apenas de monóxido de carbono (Preferential Oxidation e Methanation), e outros que são considerados processos universais de purificação (Pressure Swing Adsorption e membranas). O estudo aqui apresentado faz parte de um projeto maior possuindo, dentre outras etapas, o processo de reforma de gás metano. Nessa etapa, ocorre a transformação de metano em hidrogênio e monóxido de carbono, obtendo-se, dessa forma, o gás de síntese que servirá como alimentação para os processos de purificação que serão avaliados. Dentre os tipos de fuelcells existentes, optou-se por utilizar as especificações da Proton Exchange MembraneFuelCell (PEMFC), que é, atualmente, a fuelcell mais produzida, pelo fato de ser compacta, o que possibilita seu uso no setor automobilístico. Há um acordo internacional (ISO 14687-2) que estabelece uma pureza e uma concentração máxima de monóxido de carbono para essa fuelcell nos valores de 99.999% de H2 e 10ppm de CO (“INTERNATIONAL STANDARD Hydrogen fuel — Product specification — Part 2: fuel cell applications for road vehicles”, 2012). 

  Os requisitos da posição são: 

  - Ter conhecimento em modelagem de processos;
  - Ter habilidades em simulação e otimização de processos;
  - Escrever e ler relatórios e artigos em inglês;
  - Apresentar resultados de pesquisa em conferências, reuniões e eventos;
  - Estar no terceiro/quarto ano de graduação em engenharia química;
  - Ser comunicativo e disposto a aprender.
  - É desejável média geral acima de 7,0. 

  Este projeto é adequado para um indivíduo altamente qualitativo + quantitativo. O candidato aprovado se juntará a uma equipe de pesquisadores multidisciplinares com oportunidades de colaboração internacional. 

  O candidato selecionado receberá bolsa concedida pela FAPESP. Maiores informações e inscrição em http://www.rcgi.poli.usp.br/opportunities (REF 17SIR031) ou http://www.rcgi.poli.usp.br/wp-content/uploads/2017/11/17SIR031.pdf até 14 de janeiro de 2018. 

  This Undergraduate Scientific Initiation position is expected to be developed in collaboration with researchers from the Project 13 of the Physical Chemical Programme of the Research Centre for Gas Innovation (RCGI) at the University of Sao Paulo (USP) -- summary of the program and projects can be found in the RCGI website at www.usp.br/rcgi.  

  The environmental impact of fossil fuels as well as their finitude has driven the development of alternative ways of obtaining energy. In this context, fuel cells (or fuel cells) are a promising technology to use, such as reagents, hydrogen and oxygen in the production of electric energy, emitting only non-toxic components such as water vapor. A problem related to this type of equipment is the requirement for a source of hydrogen of high purity (99.999% by mass), since small fractions of contaminants such as carbon monoxide can damage the cell's catalyst and life. To achieve such purity, the industry applies a number of separation processes that ultimately increase the cost of hydrogen fuel. The objective of this project is to propose and to study processes of purification of hydrogen from the synthesis gas, that reach the necessary concentrations of H2 and CO of fuel supply of the fuel cells. The analysis of the various purification processes will be performed using commercial Aspen Plus® process simulation software. The operating conditions will be evaluated, and the economic and environmental scenarios of the different proposed processes will be studied, verifying their viability. 

  Fuelcells require high purity hydrogen gas and concentrations of carbon monoxide (CO) and sulfur compounds below a pre-set limit, which varies according to the type of cell used. Among the existing technologies for gas purification only four are able to achieve the high degree of purity required. Among them are processes that can reduce the concentration of carbon monoxide (Preferential Oxidation and Methanation), and others that are considered universal processes of purification (Pressure Swing Adsorption and membranes). The study presented here is part of a larger project with, among other steps, the methane gas reform process. In this stage, the transformation of methane into hydrogen and carbon monoxide takes place, obtaining, in this way, the synthesis gas that will serve as feed for the purification processes that will be evaluated. Among the types of existing fuelcells, we chose to use the Proton Exchange MembraneFuelCell (PEMFC) specifications, which is currently the most produced fuelcell because it is compact, which makes it possible to use it in the automotive sector. There is an international agreement (ISO 14687-2) which establishes a purity and a maximum concentration of carbon monoxide for this fuelcell in the values of 99.999% H2 and 10ppm CO. ("INTERNATIONAL STANDARD Hydrogen fuel - Product specification - Part 2: fuel cell applications for road vehicles", 2012) 

  Requirements for this position

  - To have knowledge in process modeling;
  - To have skills in simulation and optimization of process;
  - To write and read reports and articles in English;
  - To present research outputs at conferences, meetings and events;
  - To being in the third/fourth year of undergraduate course in chemical engineering;
  - To be communicative and willing to learn.
  - It is desirable an overall grade above 7.0.

  This project is well-suited to a highly qualitative + quantitative individual. Scripting skills will be beneficial alongside excellent communication. The successful applicant will join a team of leading multi-disciplinary researchers with opportunities for international collaboration. 

  The selected candidate will be given fellowship granted by FAPESP. More information and application at http://www.rcgi.poli.usp.br/opportunities (REF 17SIR031) or http://www.rcgi.poli.usp.br/wp-content/uploads/2017/11/17SIR031.pdf up to 14 January 2018.