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Pilhas & Baterias IV

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Tópicos: Célula de Combustível |

1) Célula de Combustível

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Em 1839, o físico inglês Sir Willian Grove demonstrou 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:

$$\ce{2 H2O -> 2 H2 + O2} \tag{1A}$$
E a reação inversa é:

$$\ce{2 H2 + O2 -> 2 H2O} \tag{1B}$$
A 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 1-I dá o esquema simplificado de uma célula de combustível. Para difundir o hidrogênio e o oxigênio pelo eletrólito, os eletrodos são condutores porosos.

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.

Célula de combustível
Fig 1-I

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 mais econômicas. Entretanto, as células 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. Mas, 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 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.

Células de combustível alcalinas

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.
Referências
Pesquisa na Internet em Jul/2007. Fontes não anotadas.

Topo | Rev: Mai/2018