Célula a Combustível - energia elétrica do hidrogênio

Célula a Combustível PEMFC ou PEFC
energia elétrica a partir do hidrogênio

átomo do Hidrogênio

Uma das tecnologias de funcionamento de células a combustível PEMFC ou PEFC é o acrônimo de 'célula a combustível de membrana de troca de prótons'. Esta célula, recebeu seu nome pois seu componente principal é uma membrana polimérica que separa os eletrodos e permite a passagem dos prótons (íons) e é resistente à passagem da corrente elétrica, atuando como eletrólito.

Esta tecnologia de célula a combustível está num estágio de desenvolvimento bem avançado, pois é reconhecida como a substituta dos motores de combustão interna nos automáveis e ônibus.

Nesta página você conhecerá alguns dos componentes principais dela e também seu funcionamento por intermédio de uma animação.

Componentes de uma Célula a Combustível PEMFC ou PEFC

componentes de uma célula ou pilha a combustível PEMFC ou PEFCcamadas porosas difusoras dos gases e condutoras de eletricidadeplacas de apoio e fluxo dos gasesretentores eletrodo eletro catalizadorMembrana de Troca de Íons eletrodo eletro catalizadorplacas de apoio e fluxo dos gasesretentoresplacas de apoio e fluxo dos gasescamadas porosas difusoras dos gases e condutoras de eletricidade

Estes são alguns dos componentes principais de uma Célula a Combustível PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) ou PEFC, seguidos da descrição dos papéis que atuam.

membrana de troca de íons

Componentes da PEMFC ou PEFC - Membrana de Troca de Íons

Fabricada a partir de um material polimérico, comercialmente conhecido como Nafion por exemplo, quando hidratada permite a condução dos prótons (íons H+) em seu interior, ela também atua como isolante elétrico e separadora dos gases combustível e oxidante.

Estas características são fundamentais para o funcionamento da célula a combustível, caso a membrana polimérica apresentasse condutividade elétrica, os elétrons migrariam por ela, ao invés de pelo circuito externo, causando um curto-circuito na célula.

A condução dos íons H+ no interior do polímero é atingida graças a forma como ele foi engendrado. Ele apresenta duas fases distintas. 1) estrutural e 2) responsável pela condução iônica. Estrutural: basicamente seu esqueleto é composto por Teflon, que é insolúvel em água e quimicamente estável às várias substâncias que interagem com ele nas condições de pH existentes na célula (isto é, aos vários níveis de acidez) Condução Iônica: nesta cadeia de Teflon existem grupos ácidos que interagem com a água. Estes grupos ácidos proporcionam íons H+ livres no interior do polímero e, assim, conduz estes íons com facilidade quando o potencial elétrico surge no funcionamento da célula.

É fácil entender o funcionamento do Nafion. Soluções ácidas (ácido diluído em água) são boas condutoras de íons H+. Entretanto, um líquido não pode separar dois volumes de gás sem gerar novos problemas de engenharia. Para contornar estas barreiras tecnológicas, criou-se um material híbrido, uma espécie de suporte insolúvel que contém em seu interior grupos ácidos que formam pequenos núcleos de solução ácida que mantêm a característica condutora de íons H+ e, ao mesmo tempo, proporciona uma barreira física para a separação dos gases combustível e oxidante.

A necessidade de se manter a membrana hidratada, limitou a temperatura de operação, à pressão ambiente, de células do tipo PEM a 100°C. Em termos práticos ela opera na faixa entre 80°C e 90°C,

eletro catalisador (eletrodos)

Componentes da PEMFC ou PEFC - Eletro-catalizador - Eletrodo

Devido à baixa temperatura de operação da célula PEM (menor que 100°C) é necessário o uso de metais nobres -como a platina e o rutênio, reduzidos à nano partículas- como catalisadores para se atingir elevadas correntes elétricas. Para entender o porquê do uso de catalisadores, ou eletrocatalisadores, é preciso compreender o que um catalisador faz e como o hidrogênio e o oxigênio interagem.

Por definição, um catalisador é qualquer substância que aumenta a velocidade de uma reação sem, contudo, ser consumida nela. Na célula a combustível, o hidrogênio que chega no ânodo (eletrodo negativo) precisa ser adsorvido na superfície do eletrodo -neste processo, eles têm sua ligação quebrada, separando o próton do elétron- os íons H+ (próton) gerados podem migrar pela membrana, chegar ao outro lado e combinar-se com o oxigênio, formando água como subproduto. Caso não houvesse um catalisador, a ligação do hidrogênio seria difícil de ser quebrada e uma quantidade menor de íons H+ seria gerada no mesmo intervalo de tempo. Em consequência uma corrente elétrica muito menor seria produzida (pois corrente elétrica é uma medida direta da velocidade das reações químicas envolvidas que a geram).

Sabe-se que com o aumento da temperatura há um aumento exponencial da velocidade de uma reação química. Por isso há grande interesse em membranas modificadas para aumentar a temperatura de operação da célula, consequentemente a densidade elétrica e assim reduzir a quantidade de material nobre necessário para a geração de correntes elétricas elevadas.

camadas porosas difusoras dos gases e condutoras de eletricidade

Componentes da PEMFC ou PEFC - Membrana de Troca de Íons

O Eletrodo é essencialmente uma fina camada catalítica -aplicada por aerografia, por exemplo- que precisa ser suportada por alguma estrutura. Esta estrutura é a camada difusora de gases que, além de suporte mecânico, também atua na distribuição homogênea dos gases na camada catalítica. E assim ela garante o fornecimento de combustível e oxidante a todos os pontos catalíticos.

É uma peça importante, já que a distribuição homogênea dos gases é fundamental para que todas as áreas catalíticas participem das reações químicas. No atual estado da arte ela é composta por um tecido de carbono parcialmente teflonado para se evitar que encharque e obstrua seus poros com água, dificultando a passagem do gás. Essa camada também é responsável pela condução dos elétrons, que se originaram na quebra da ligação do hidrogênio nos locais catalíticos, e são escoados por ela.

retentores

Componentes da PEMFC ou PEFC - retentores

Sua função básica é impedir o vazamento dos gases reagentes para o meio ambiente e separar as placas de apoio que, caso entrem em contato, ocasionariam um curto circuito.

placas de apoio e fluxo dos gases

Componentes da PEMFC ou PEFC - Membrana de Troca de Íons

Sua principal função é fazer uma primeira distribuição dos gases ao longo da camada difusora. Possuem serpentinas usinadas em suas faces, de modo a maximizar a distribuição dos gases e a retirada da água gerada no processo de uniãoo do combustível com o oxidante. Elas também são responsáveis por manter as camadas juntas, prensadas entre elas. Estas peças, apesar de simples em sua forma, são um desafio de engenharia dos materiais e processos de fabricação. As células PEMFC funcionam conduzindo íons H+, esses íons elevam a acidez interna da célula, resultando em um ambiente com pH próximo a zero e dificilmente um metal resistiria à corrosão neste meio. Outra necessidade das placas é a de possuírem elevada condutividade elétrica, já que elas recebem toda a corrente elétrica das camadas porosas difusoras. A solução tecnológica disponível são placas feitas de carbono muito duras, difíceis de serem trabalhadas e extremamente frágeis a impactos.

Existem ligas metálicas especiais e compósitos de carbono flexíveis que são candidatos para composição destas peças, entretanto ainda são segredos industriais.

Engenharia do funcionamento de uma Célula a Combustível PEMFC

O combustível é fornecido à célula no lado do anodo na forma de moléculas de H2 (gás hidrogênio). Por uma característica que o torna único, o átomo de Hidrogênio, em seu isótopo mais comum, não possui neutros.

Ao entrar em contato com o catalisador, a molécula do hidrogênio (H2) é dissociada em seus átomos numa reação exotérmica (que gera calor) e cada um deles perde seu único elétron. O eletrólito da célula a combustível é uma membrana resistente ao fluxo dos elétrons (eletricidade) e permeável ao ion de Hidrogênio (próton), que migra para o lado do catodo que é abastecido com o ar da atmosfera, rico em Oxigênio. Esta migração altera o equilíbrio elétrico da célula, forçando os elétrons a migrar por algum caminho de menor resistência, este fluxo de elétrons é a energia que utilizaremos para realizar trabalho (acender a lâmpada), a corrente elétrica.

No lado do catodo, uma molécula de oxigênio se dissocia em dois átomos deste elemento. Cada átomo de oxigênio se associa a dois íons de hidrogênio e a dois elétrons formando uma molécula de água.

Aplicações

Esta tecnologia é, até o momento, indicada para aplicações onde o fornecimento de energia rápido (ela atinge a temperatura de operação rapidamente) e a impossibilidade de conviver com temperaturas elevadas são desejáveis, por exemplo: geradores de energia para aplicações móveis ou embarcadas:

Fatos envolvendo Células a Combustível PEMFC

Para compreender melhor a engenharia do funcionamente das Pilhas a Combustível, veja a
página "Células a Combustível" e a
página "Pílhas a Combustível"

Para mais informações a respeito do hidrogênio, oxigênio e da água, veja a
página "Molécula da Água - química - animação e texto explicativo"

coautoria: Gustavo Doubek
Eduardo J. Stefanelli - www.stefanelli.eng.br