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Célula a Combustível - energia elétrica do hidrogênio

Célula a Combustível -
energia elétrica a partir do hidrogênio

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

Classificação de Células a Combustível

O desenvolvimento destes portentos tecnológicos levou a um nunca acabar de soluções e ao aparecimento de várias tecnologias de funcionamento, produção ou modo de utilização que passo a sucintamente descrever. Os tópicos abaixo não têm a intenção de esgotar os assuntos que tratam, nem cobrem todas as possibilidades de classificação.

Quanto aos eletrodos

Os eletrodos são a estruturação do catodo e anodo. Eles podem ser dos tipos:

  • fase de operação
    • duas fases (bifásico)
      • gás
      • sólido
    • três fases
      • gás
      • líquido
      • sólido
  • geometria
    • plana
    • tubular

pelo tipo de eletrólito

O eletrólito é, por definição, toda substância que dissociada ou ionizada conduz íons ou corrente elétrica. Os eletrólitos podem ser:

  • ácidos
    • ex.: AFC
  • alcalinos
    • ex.: PAFC
  • sólido
    • ex.: SOFC
  • líquido
    • ex.: MCFC
  • polimérico

temperatura de operação

As células a combustível possuem uma faixa de operação que vai de uns poucos graus centigrados acima da temperatura ambiente à temperaturas que chegam próximas ao ponto de fusão de seus componetes. Esta faixa está dividida em três grupos principais:

  • baixa
    • de 90°C até 120°C
  • média
    • de 250°C até 450°C
  • alta
    • de 650°C até 1220°C

reagentes

Estado físico do combustível e do comburente, seus processos de obtenção e seus usos são formas de classificar os insumos do processo:

  • combustível
  • oxidante
    • líquido
      • ex.: H2O2 (L)
    • gasoso
      • ex.: oxigênio da atmosfera
      • alimentação
        • pressão ambiente
        • sob pressão
  • processo de obtenção
    • regenerativo
      • regenera os reagentes a partir dos produtos
        • ex.: eletrólise e reconstituição da água
    • integrado
      • estocagem de energia química (H2) utilizando energia elétrica disponível na rede para posterior devolução no horário de pico
    • reator químico
      • redução ou oxidação de compostos orgânicos

Tecnologias de funcionamento de Células a Combustível

  • PEMFC
  • SOFC
  • AFC
  • PAFC
  • dentre outras

Para compreender melhor a engenharia do funcionamente das Pilhas a Combustível, veja a
página "Células a Combustível tipo PEMFC " 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"

Eduardo J. Stefanelli - www.stefanelli.eng.br