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Célula de combustível
| Topo pág | Fim pág |Considerado o pai da célula de combustível, o físico inglês Sir Willian Grove demonstrou em 1839 que era possível produzir eletricidade a partir da reação do hidrogênio com o oxigênio, tendo água como subproduto.
O processo é, na realidade, o inverso da eletrólise da água. Nesta última, uma corrente elétrica aplicada por um par de eletrodos em um meio aquoso separa os componentes da água:
2 H2O → 2 H2 + O2E a reação inversa é
2 H2 + O2 → 2 H2OA tensão de uma célula individual é cerca de 0,7 V, bastante inferior às tensões dos demais tipos e, portanto, um grande número de células em série é necessário para resultar num conjunto de uso prático. A Figura 01 dá o esquema simplificado de uma célula de combustível.
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| Figura 01 |
Notar que, na realidade, o anodo e o catodo são respectivamente o hidrogênio e o oxigênio, os quais são continuamente alimentados e consumidos na reação. Assim, os condutores porosos são apenas elementos de condução da corrente e difusão dos gases, não participando da reação e não são consumidos teoricamente.
Na prática, as células de combustível não são tão simples e nem fáceis de serem construídas.
São usados materiais nobres nos eletrodos e no eletrólito e há necessidade de catalisadores não menos nobres como a platina. Também há necessidade de sistemas auxiliares que dependem do tipo. Tudo isso resulta num custo relativamente alto.
O fator custo provavelmente explica o fato de que, sendo uma invenção quase tão antiga quanto a célula de Volta, pouco se pesquisou durante muito tempo. Afinal, para a produção de energia elétrica a partir de combustíveis, caldeiras com máquinas a vapor e motores de combustão interna são alternativas muito mais econômicas.
Entretanto, a célula de combustível apresentam importantes vantagens se comparada com caldeiras e motores:
a) Operação silenciosa e sem partes móveis.
b) Se usado hidrogênio puro, o subproduto é apenas água, ou seja, não poluente.
c) Menor perda de eficiência quando parcialmente carregada.
d) Maior eficiência termodinâmica e relação potência/peso superior aos demais meios de geração.
Esses fatores foram determinantes para o emprego em naves espaciais, ainda a sua principal utilização.
Nos últimos anos, as pesquisas se expandiram. Questões como poluição ambiental e procura por combustíveis alternativos aos derivados de petróleo incentivam buscas por sua aplicação em automóveis ou mesmo como geradores fixos de energia. Também se tenta usá-las como fontes pequenas de energia para equipamentos portáteis como computadores, uma vez que o desenvolvimento das baterias comuns parece estar chegando ao seu limite.
Embora no uso aeroespacial sejam empregados hidrogênio e oxigênio puros, em outras aplicações existem problemas. O hidrogênio, em especial, é um gás de manuseio e estocagem perigosos. Assim, as células podem usar o oxigênio do ar e o hidrogênio pode ser obtido pela quebra catalítica de um combustível comum, isto é, um hidrocarboneto. Nessa forma, junto à célula deverá existir um equipamento de processamento do combustível que também deve remover o indesejável enxofre. Alguns tipos de células fazem isso diretamente no anodo, sem equipamento adicional. Tais arranjos implicam a emissão de poluentes como dióxido de carbono e outros. Mas os níveis dos mesmos são inferiores aos dos processos convencionais.
O eletrólito pode ser líquido ou sólido. Com este último, a água formada passa para o compartimento do catodo e daí pode ser removida. No caso de líquido, a célula deve trabalhar numa temperatura inferior à de ebulição da água e um sistema de circulação externo deve ser usado para remover a água por evaporação.
Célula de combustível alcalina:
O eletrólito é hidróxido de potássio (KOH), trabalhando em temperaturas na faixa de 80 a 95 °C. Usa platina como catalisador. Só pode ser empregado o hidrogênio puro pois outras substâncias reagem com o eletrólito. Apresenta a maior relação potência/peso e é o tipo usado em veículos espaciais.
Células de combustível ácidas:
Os tipos atualmente pesquisados para aplicações não espaciais têm eletrólitos ácidos. A seguir, breve descrição dos principais.
1-) O ácido fosfórico concentrado (H3PO4) é disposto em uma malha de carboneto de silício e teflon e os eletrodos são placas de grafite poroso, com adição de platina como catalisador. Pode trabalhar em temperaturas na faixa de 170 a 200 °C. É o único tipo comercialmente em uso.
2-) Um outro tipo usa como eletrólito a chamada membrana trocadora de prótons, um filme de um polímero à base de ácido sulfônico. Eletrodos e catalisador conforme tipo anterior. Temperatura de trabalho na faixa das células alcalinas. É o tipo atualmente pesquisado para uso automotivo e para equipamentos portáteis.
3-) Uma mistura de carbonatos de sódio, potássio e lítio fundidos é usada como eletrólito, operando em temperaturas de 550 a 650 °C. Ele é contida em um compartimento de aluminato de lítio poroso que recebe anodo de níquel e catodo de óxido de níquel. Prata é usada como catalisador. A elevada temperatura de trabalho permite obter hidrogênio a partir combustíveis de hidrocarbonetos, sem equipamentos adicionais.
4-) Um eletrólito sólido formado por óxido de zircônio com óxido de ítrio e titânio como catalisador pode trabalhar em temperaturas perto de 1000 °C. Similar ao anterior, pode usar diretamente combustíveis de hidrocarbonetos. Entretanto, o custo dos materiais é muito alto.
Comentários:
Se as pesquisas resultarem em células de custo razoável, os benefícios serão evidentes. Automóveis menos poluentes e mais silenciosos e aparelhos portáteis com mais autonomia são exemplos do que pode ocorrer.
Entretanto, as células não podem resolver todos os problemas com o ambiente. O hidrogênio não é encontrado livre na natureza. Para obtê-lo a partir da água, é preciso energia. E essa, se obtida a partir de fontes não limpas como os combustíveis, provoca a emissão de poluentes. Se as células usam combustíveis de hidrocarbonetos, poluentes também são emitidos, embora em menor escala.
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