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Célula a Combustível – energia elétrica limpa – hidrogênio

Célula a Combustível - Fuel Cell - Pila de Combustible
Célula a Combustível - energia elétrica a partir do hidrogênio

Célula a Combustível

Célula a Combustível é um transdutor eletroquímico, de operação contínua, que converte energia química em energia elétrica ao combinar um átomo de oxigênio a dois átomos de hidrogênio produzindo água, energia elétrica e energia térmica. Ela opera sob elevada eficiência energética, pois converte diretamente energia química em energia elétrica, sem as perdas da conversão da energia química dos combustíveis fósseis, por exemplo, em energia térmica para posterior conversão em energia elétrica (e sem as restrições termodinâmicas do ciclo de Carnot).

Sua operação produz baixo impacto ambiental: sem vibrações, sem ruídos, sem combustão, sem emissão de particulados e, dependendo da tecnologia, sem emissão de gases estufa. Além disto, no atual estágio de desenvolvimento, sem emissão de gases ácidos e com baixa poluição.

Ela é de operação contínua, pois, diferentemente das baterias químicas, gera energia elétrica enquanto houver fornecimento do combustível e do oxidante, sem nunca ‘perder a carga’, como acontece com as pilhas e baterias comuns.

Quando associadas em conjuntos são chamadas de Pilhas a Combustível, esta associação se justifica para produzir correntes e cargas elétricas compatíveis com as atuais necessidades energéticas.

Hidrogênio como combustível

O sistema de conversão da energia elétrica utilizado pelas pilhas a combustível opera em eletrólise reversa, combinando átomos de hidrogênio a átomos de oxigênio formando água neste processo. Esta característica permite a utilização de uma vasta série de espécies químicas compostas predominantemente por hidrogênio, a exemplo do gás hidrogênio, passando por hidrocarbonetos de origem mineral, gasolina, por exemplo, até hidrocarbonetos de origem vegetal, a exemplo do etanol, o nosso conhecido álcool anidro.

Muitas substâncias se mostram ativas para atuar como combustível em célula a combustível, dentre eles se destacam o hidrogênio, metanol, hidrazina, etanol, hidrocarbonetos de baixo peso molecular, dentre outras.

Hidrogênio

átomo do Hidrogênio
(sem escala)

É o elemento químico mais abundante do universo, o de menor densidade e, em seu isótopo mais comum, possui um próton e um elétron e há ausência de nêutron. Esta característica o faz único. Ele se estabiliza de duas formas: 1) compartilhando um elétron, por intermédio de ligação molecular, com outro elemento da família ou grupo dos não metais, ou 2) recebendo um elétron por intermédio de ligação iônica com um elemento da família ou grupo dos metais. A ligação com oxigênio é da primeira forma.

O hidrogênio puro é o combustível ideal para alimentar as células a combustível, mas seu uso ainda não é favorável devido ao custo de sua obtenção e, principalmente, devido às dificuldades em armazenar, transportar e manusear esta substância. Mesmo em sua forma líquida ou combinado na forma de hidreto metálico há uma justificável preocupação que impõe severas exigências de segurança. Como alternativa estuda-se, por exemplo, a reforma de metanol ou etanol. Nesta tecnologia, o hidrogênio é separado da molécula do álcool no momento que será utilizado na célula. Esta tecnologia possui algumas vantagens quando comparada à utilização do hidrogênio puro. Além do seu custo mais baixo, ela é a mais compatível com a atual infra-estrutura instalada de distribuição de combustíveis. Essa classe de PEMFC´s é denominada de DEFC (do inglês, Direct Ethanol Fuel Cells), que apesar de ser considerada uma tecnologia promissora para aplicações veiculares e portáteis, ainda apresenta um grande desafio tecnológico para alcançar os níveis de corrente elétrica e potência atingidos pelas células que consomem o hidrogênio puro.

Há grande interesse em desenvolver pilhas a combustível utilizando hidrogênio puro como combustível:

  • evita-se a contaminação dos eletrodos em reações adversas
  • reduz-se o número de componentes do sistema
    • os encarregados da reforma dos hidrocarbonetos
  • aumenta-se o rendimento do sistema
    • em virtude da maior densidade do hidrogênio,
  • dentre outras.

O Hidrogênio é fornecido no lado do anodo. Esta espécie química não é encontrada no meio-ambiente sem estar combinada com outro elemento. Por isto, é necessário o separar e, algumas vezes, armazenar e transportar para ser utilizado como combustível (evidentemente, estas etapas consomem energia e, em maior ou menor grau, causam impacto ambiental). Há vários processos consolidados (e em desenvolvimento) para este fim. Eletrólise da água, reforma de hidrocarbonetos ou de alcoóis, gaseificação de biomassa, dentre outros, são exemplos de processos para obtenção deste insumo.

Oxidantes

Por definição ‘Oxidante’ é a espécie química que cede elétrons numa reação química.

Oxigênio

átomo do Oxigênio
(sem escala)

Encontrado abundantemente na atmosfera, em concentração superior a 20%, na forma de gás, há grande interesse na sua utilização neste estado, pois não há problemas de aquisição, transporte, estocagem, manutenção.

O Oxigênio. Possivelmente a espécie química mais abundante da terra, ela é encontrada em grande concentração na atmosfera. É fornecido no lado do catodo e, geralmente, em seu estado gasoso, à pressão ambiente e na mistura homogênea que é encontrado no ar. Contudo, para aumento de rendimento, pode ser fornecido sob pressão ou dissolvido em água, por exemplo.

Resultado

Engenharia do funcionamento de uma Célula a Combustível


Exemplo do funcionamento de uma PEMFC

Eduardo Stefanelli

Engenheiro por profissão, professor por vocação

Comentários
  • Rogério Gomes de Oliveira

    Sou engenheiro formado pelo ITA em 1955.
    Tive a possibilidade de assistir o autor do livro:
    A ECONOMIA DO HIDROGÊNIO,em 13 de Setembro de 2003.
    O autor JEREMY RIFKIN foi bastante aplaudido.
    E ouvimos o Presidente da Reunião Sr.Antonio Ermirio de Morais,
    comentou “excelente para nossos netos”.
    Agora relendo (após quase 14 anos) perceber o bloqueio que a
    General Motor sofreu em 2003 ao lançar o Modelo com Célula de Hidrogênio.
    Na mesma semana o governo EUA, cancelou o Fundo de US$2,500 bilhões,
    que tinha com as industrias fabricantes de autos.
    Deixe-me pensar que as quase totalidade das grandes fortunas do mundo,
    tem muito das ações das grandes petroleiras.
    E ai vejo a grande barreira : A ECONOMIA DO HIDROGÊNIO.
    Mas vamos trabalhar para essa nova era ser útil aos nossos netos.
    Estou na luta por essa nova era.
    Rogério Gomes de Oliveira.
    rogeriogomessjc38@gmail.com

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