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Célula de combustível

Célula de combustível é uma célula eletroquímica que converte energia potencial de um combustível em eletricidade através de uma reação eletroquímica de eletrólise reversa.[1] Como qualquer célula eletroquímica, uma célula de combustível consiste em dois elétrodos polarizados, o ânodo (-) e o cátodo (+), e um eletrólito. Dois componentes são essenciais: o hidrogénio, como combustível, e o oxigénio como oxidante.[2] Em princípio, as células de combustível não são poluentes, visto que tem água com o produto da reação.[2]

Célula de combustível

Funcionamento da
célula de combustível

Tipo
Descoberto
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Funcionamento

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Em termos gerais, a célula de combustível funciona como uma gerador de corrente elétrica. A corrente gerada faz funcionar os mais diversos dispositivos (lâmpadas, motores, eletrodomésticos, como exemplos) e depois retorna ao gerador, completando o que se chama de circuito elétrico. O seu princípio de funcionamento (eletrólise reversa) consiste em utilizar a energia gerada pela reação de hidrogénio com oxigénio, tendo água como produto.[1][3] O hidrogénio é alimentado no ânodo onde é decomposto quimicamente por um catalisador em protões, com carga positiva, e eletrões com carga negativa. Os eletrões são injetados na corrente elétrica (a parte útil do sistema), e os protões migram através do eletrólito até ao cátodo. Aí, os protões combinam-se cataliticamente com o oxigénio vindo do ar e os eletrões retornados pela corrente elétrica.[2]

 
 
Funcionamento. Vista em corte de um automóvel
com célula de combustível.

Tipos

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  Ver artigos principais: Célula de combustível de água de Stan Meyer e Célula de combustível microbiana

Existem vários tipos de células de combustíveis, geralmente classificados pela temperatura de operação.[4]

Temperaturas abaixo de 250ºC

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Membrana de troca de prótons (PEM)

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Previamente chamada de célula de combustível de eletrólito de polímero sólido, devido ao desconhecimento do mecanismo de troca de prótons. Esse tipo de célula contém uma membrana semipermeável, tipicamente de Nafion, com solução de eletrólito separando o ânodo e o cátodo. O Hidrogênio é inserido no ânodo, que catalisa e desassocia em próton e elétron. Os prótons passam pela membrana e chegam no cátodo. Já os elétrons passam por um circuito elétrico, gerando energia. No cátodo há a catálise do oxigênio com os prótons e elétrons, formando água.[5]

Alcalina (A)

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Os eletrólitos são separados por uma matriz saturada com solução alcalina aquosa. Há dois tipos de células de combustível alcalina: a de eletrólito estático ou imobilizado e a de eletrólito móvel. A diferença é que a célula combustível de eletrólito fluido permite que ele percorra entre o ânodo e o cátodo, removendo o excesso de calor. [6]

Ácido fosfórico (PA)

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Células de combustível de ácido fosfórico foi criado em 1961 por G. V. Elmore e H. A. Tanner. O ácido fosfórico é usado como eletrólito não condutor que permite a passagem de prótons do ânodo para o cátodo e inibe a de elétrons.[7][8]

Temperaturas acima de 600 ºC

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Carbonato Fundido (MC)

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Células de combustível de carbonato fundido usam carbonato de sal de lítio e potássio que se torna líquido em altas temperaturas, permitindo o movimento de cargas de carbonatos de carga negativa dentro da célula[9].

Óxidos Sólidos (SO)

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Células de combustível de óxidos sólidos normalmente possuem eletrólito de cerâmica, mais especificamente de zircônia estabilizada com ítria. Diferentemente das outras células combustíveis que o próton passa do ânodo para o cátodo, nessa é o íon de oxigênio que passa do cátodo para o ânodo. [10]

 
 
Célula de combustível
de metanol direto
utilizada na NASA. 		Vídeo: funcionamento de uma
célula de combustível microbiana. 		Célula de combustível de
água de Stan Meyer.

O uso do hidrogênio como combustível é polêmico em várias aplicações, já que ele não constitui uma fonte primária de energia. No entanto pode ser facilmente fabricada a partir de outras fontes de energia. Críticos do estágio atual desta tecnologia dizem que a energia necessária para "criar" o combustível em primeiro lugar pode reduzir a eficiência final do sistema ficando pior que o mais eficiente motor de combustão interna a gasolina; é verdadeiro pois o hidrogênio é gerado pela eletrólise da água. Pode ser gerado também do metano, componente principal do gás natural com mais ou menos 80% de eficiência. O método de conversão do metano liberta gases para o meio ambiente, portanto o método ideal será usar fonte que gere hidrogênio através da eletrólise.

Há problemas práticos a serem superados. Embora o uso de células de combustível por consumidores seja possível no futuro próximo, os projetos atuais têm que ser orientados de forma correta. Atualmente há projetos de modelos capazes de fornecer energia para dispositivos portáteis como por exemplo, os telefones celulares e notebooks. Projetos atuais necessitam de abertura de ventilação e não podem ser operados dentro de água, não podendo ser usados em aeronaves devido ao risco de vazamentos para atmosfera. Tecnologia para reabastecimento seguro das células ainda não existe, salvo testes que vêm sendo feitos com o uso de células alimentadas com o álcool metanol.

Comparação dos tipos de célula de combustível

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Tipo de célula de combustível Electrólito Potência Temperatura (°C) Eficiência energética Status Preço (Dólar Americano/W)
Célula Sistema
Célula de combustível eletrogalvânica Solução alcalina aquosa < 40 Comercial / Pesquisa 3-7
Célula de combustível de ácido fórmico (DFAFC) Membrana polimérica (ionômero) < 50 W < 40 Comercial / Pesquisa 10-20
Célula de combustível alcalina Solução alcalina aquosa 10–200 kW < 80 60–70% 62% Comercial / Pesquisa 50-100
Célula de combustível de membrana de troca de prótons Membrana polimérica (ionômero) 1 W – 500 kW 50–200 50–70% 30–50% Comercial / Pesquisa 50–100
Célula de combustível de hidreto metálico Solução alcalina aquosa > −20 Pesquisa e desenvolvimento / Comercial / Pesquisa 30-200
Bateria de zinco-ar Solução alcalina aquosa < 40 Produção em massa 150-300
Célula de combustível de carbono direto Vários diferentes 700–850 80% 70% Comercial / Pesquisa 18
Célula de combustível de hidreto de boro direto Solução alcalina aquosa 70 Comercial 400-450
Célula de combustível microbial Membrana polimérica ou de Ácido húmico < 40 Pesquisa 10-50
Célula de combustível microbial de fluxo ascendente (UMFC) < 40 Pesquisa 1-5
Célula de combustível regenerativa Membrana polimérica (ionômero) < 50 Comercial / Pesquisa 200-300
Célula de combustível de metanol direto Membrana polimérica (ionômero) 100 mW – 1 kW 90–120 20–30% 10–25% Comercial / Pesquisa 125
Célula de combustível de metanol reformado Membrana polimérica (ionômero) 5 W – 100 kW 250–300 50–60% 25–40% Comercial / Pesquisa 8.50
Célula de combustível de etanol direto Membrana polimérica (ionômero) < 140 mW/cm² > 25
90–120 		Pesquisa 12
Célula de combustível redox (RFC) Eletrólitos líquidos com transporte redox e membrana polimérica (ionômero) 1 kW – 10 MW Pesquisa 12.50
Célula de combustível de ácido fosfórico Ácido fosfórico (H3PO4) < 10 MW 150–200 55% 40% Comercial / Pesquisa 4.00–4.50
Célula de combustível de óxidos sólidos H+-sal oxiânion condutor (ácido sólido) 10 W – 1 kW 200–300 55–60% 40–45% Comercial / Pesquisa 15
Célula de combustível de carbonato Carbonato alcalino 100 MW 600–650 55% 45–55% Comercial / Pesquisa 1000
Célula de combustível de óxido sólido tubular (TSOFC) O2−-óxido cerâmico condutor < 100 MW 850–1100 60–65% 55–60% Comercial / Pesquisa 3.50
Célula de combustível de cerâmica protônica H+-Óxido de cerâmica condutor 700 Pesquisa 80
Célula de combustível de óxido sólido planar O2−-Óxido de cerâmica condutor < 100 MW 500–1100 60–65% 55–60% Comercial / Pesquisa 800
Célula de biocombustível enzimático Qualquer que não desnaturalize as enzimas < 40 Pesquisa 10
Célula de combustível de magnésio-ar Água com sal −20 a 55 90% Comercial / Pesquisa 15

[11]

Ciência

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Processo de transformação até uma célula de combustível.

As células de combustível são dispositivos eletroquímicos, e como tal não podem ser forçados a trabalhar no máximo de eficiência como as máquinas de combustão. Podem ser altamente eficientes em transformar energia química em elétrica.

Num exemplo primitivo de membrana eletrolítica polimérica (PEM) de célula de combustível a membrana é condutora de prótons e separa o ânodo do cátodo. Em cada lado há um eletrodo de lâmina de carbono revestido com um catalisador de platina.

No lado do ânodo, o hidrogênio flui para o catalisador onde é dissociado em prótons e elétrons. Os prótons são conduzidos através da membrana para o cátodo e os elétrons são forçados a percorrer um circuito externo (fornecendo força) porque a membrana é isolada eletronicamente. No catodo as moléculas de oxigênio reagem com os elétrons (que chegam pelo circuito externo) para formar água. Neste exemplo o único produto a se perder é o vapor d'água, resíduo inofensivo.

História

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Célula de combustível de William Robert Grove (1839).

A primeira célula de combustível foi desenvolvida no século XIX em 1838 por William Robert Grove publicado na "The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science" (Revista e Jornal Filosófico de Ciência de Londres e Edinburgh).[12][13] Um esboço foi publicado em 1842 pelo mesmo cientista, sendo muito parecido com as células de combustíveis de ácido fosfórico.[14][15] O primeiro uso comercial se deu em 1932 com a célula de combustível alcalina do Francis Thomas Bacon que produzia até 5kW de energia. As células de combustível só tiveram aplicações práticas a partir da década de 1960, quando Thomas Grubb e Leonard Niedrach, da companhia General Electric, tiveram sucesso no desenvolvimento de uma célula de membrana de troca de prótons (Proton-exchange membrane fuel cell - PEM) . Apesar da sua portabilidade, não era viável economicamente, dado uso de platina como catalisador.[16] A partir de 1965 a NASA passou a empregar células de combustível, que foram usadas nas espaçonaves do Programa Apollo e no Ônibus espacial.[17][18] A primeira célula de combustível a hidrogênio para o ramo automóvel foi desenvolvida em 1991 por Roger Billings.[19] Estudos na década de 2020, indicam que as células de combustível podem ser abastecidas com etanol (álcool combustível) utilizando o hidrogênio contido neste.[20][21]

Veículos elétricos alimentados por baterias apresentam os inconvenientes da demora para recarga e baixa autonomia.[17] Nestes veículos, a substituição das baterias por células de combustível proporciona a redução do tempo de recarga/reabastecimento e aumenta a autonomia.[17]

Pesquisa e desenvolvimento

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  • 2005: Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia usaram triazol para aumentar a temperatura operacional das células de combustíveis de membrana de troca de prótons de 100/C para acima de 120°C.[22]
  • 2008: Pesquisadores da Universidade Monash, Melbourne used PEDOT como cátodo.[23]
  • 2009: Pesquisadores da Universidade de Dayton, em Ohio, mostraram que nanotubos de carbonos verticalmente poderiam ser usados como catalisadores em células de combustível.[24] The same year, a nickel bisdiphosphine-based catalyst for fuel cells was demonstrated.[25]
  • 2013: A Empresa britânica ACAL Energy desenvolveu uma célula de combustível que poderia ser utilizada por 10.000 horas em condições de direção.[26] It asserted that the cost of fuel cell construction can be reduced to $40/kW (roughly $9,000 for 300 HP).[27]
  • 2014: Pesquisadores da Imperial College London desenvolveram um novo método para a regeneração de células de combustível de eletrólito polimérico contaminadas por sulfeto de hidrogênio.[28] They recovered 95–100% of the original performance of a hydrogen sulfide contaminated PEFC. They were successful in rejuvenating a SO2 contaminated PEFC too.[29] This regeneration method is applicable to multiple cell stacks.[30]
  • 2019: Pesquisadores do United States Army Research Laboratory desenvolveram uma célula de combustível de geração de hidrogênio de duas partes. Uma parte para a geração de hidrogênio e outra para geração de energia por meio de hidrogênio e oxigênio. [31]
  • 2022: pesquisadores da Universidade de Delaware desenvolveram uma célula de combustível de hidrogênio de baixo custo, 1,40 dólar americano por kilowatt. [32]

Imagens

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Veículos equipados com células de combustível:
Automóvel:
Submarino:
Avião elétrico:
Bonde:
 
 
 
 
Protótipo Toyota FCHV Submarino Tipo 212 HY4 Bonde de Oranjestad

Ver também

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Outros projetos Wikimedia também contêm material sobre este tema:
  Categoria no Commons

Referências

  1. ↑ a b «Materiais e membranas para células de combustível». sigmaaldrich.com. Consultado em 3 de julho de 2023 
  2. ↑ a b c «A Basic Overview of Fuel Cell Technology» (em inglês). Smithsonian Institution. 2017. Consultado em 21 de março de 2019 
  3. ↑ Por Redação (19 de outubro de 2020). «Saiba como o hidrogênio se transforma em combustível». Além da Energia. Consultado em 3 de julho de 2023 
  4. ↑ Mamede dos Santos, Fernando A.; Mamede dos Santos, Fernando M. (2004). «Células de Combustível». Instituto Politécnico de Viseu. Millenium. 29: 146-156. ISSN 1647-662X. Consultado em 22 de março de 2019 
  5. ↑ "Measuring the relative efficiency of hydrogen energy technologies for implementing the hydrogen economy 2010" (PDF). Archived from the original (PDF) on 5 November 2013.
  6. ↑ Ariyanfar, Leyli & Ghadamian, Hossein & Roshandel, Ramin. (2011). Alkaline Fuel Cell (AFC) Engineering Design, Modeling and Simulation for UPS Provide in Laboratory Application. 10.3384/ecp110571227.
  7. ↑ "Collecting the History of Phosphoric Acid Fuel Cells". americanhistory.si.edu.
  8. ↑ "Phosphoric Acid Fuel Cells". scopeWe - a Virtual Engineer. Archived from the original on 10 November 2013. Retrieved 28 June 2013.
  9. ↑ "Molten Carbonate Fuel Cell Technology". U.S. Department of Energy, accessed 9 August 2011
  10. ↑ Nascimento, A. & Mohallem, Nelcy. (2009). Materiais usados na constituição dos principais componentes de células a combustível de óxido sólido. Cerâmica. 55. 10.1590/S0366-69132009000100006.
  11. ↑ Fuell Cell. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell
  12. ↑ «Mr. W. R. Grove on a new Voltaic Combination». The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science. 1838. Consultado em 2 de outubro de 2013 
  13. ↑ Grove, William Robert (1839). «On Voltaic Series and the Combination of Gases by Platinum». Philosophical Magazine and Journal of Science. XIV (86–87): 127–130. doi:10.1080/14786443908649684 
  14. ↑ Grove, William Robert (1842). «On a Gaseous Voltaic Battery». Philosophical Magazine and Journal of Science. XXI (140): 417–420. doi:10.1080/14786444208621600 
  15. ↑ Larminie, James; Dicks, Andrew. Fuel Cell Systems Explained (PDF). [S.l.: s.n.] 
  16. ↑ «Collecting the History of Proton Exchange Membrane Fuel Cells» 
  17. ↑ a b c Mattos, Mariana (21 de abril de 2022). «Veículos elétricos: baterias ou células a combustível?». Brasil Energia. Consultado em 9 de julho de 2023 
  18. ↑ «Fuel Cells: Powering Spaceflight since 1965». Horizon Educational (em inglês). Consultado em 9 de julho de 2023 
  19. ↑ «Spotlight on Dr. Roger Billings». Computer Technology Review. Consultado em 21 de setembro de 2015 
  20. ↑ Garcia, Rafael H.L. (15 de junho de 2021). «IPEN/CNEN e Nissan renovam parceria para lançar célula a combustível a etanol no Brasil». IPEN. Consultado em 17 de outubro de 2022 
  21. ↑ Palazi, Ana Paula (29 de julho de 2022). «Carro elétrico movido a etanol». Jornal da UNICAMP. Consultado em 17 de outubro de 2022 
  22. ↑ «Chemical Could Revolutionize Polymer Fuel Cells» (PDF). Georgia Institute of Technology. 24 August 2005. Consultado em 21 de novembro de 2014  Verifique data em: |data= (ajuda)
  23. ↑ Erro de citação: Etiqueta <ref> inválida; não foi fornecido texto para as refs de nome Online
  24. ↑ Patel, Prachi. «Cheaper Fuel Cells». MIT Technology Review 
  25. ↑ Bennett2009-12-03T19:00:00+00:00, Hayley. «Bio-inspired catalyst design could rival platinum». Chemistry World 
  26. ↑ «Hydrogen Fuel Cell That's As Durable As A Conventional Engine». Cópia arquivada em 16 October 2013  Verifique data em: |arquivodata= (ajuda)
  27. ↑ «ACAL poster on Fuel Cell costs and efficiency» (PDF). Cópia arquivada (PDF) em 16 October 2013  Verifique data em: |arquivodata= (ajuda)
  28. ↑ Kakati, Biraj Kumar; Kucernak, Anthony RJ (15 March 2014). «Gas phase recovery of hydrogen sulfide contaminated polymer electrolyte membrane fuel cells». Journal of Power Sources. 252: 317–326. Bibcode:2014JPS...252..317K. doi:10.1016/j.jpowsour.2013.11.077   Verifique data em: |data= (ajuda)
  29. ↑ Kakati, Biraj Kumar; Unnikrishnan, Anusree; Rajalakshmi, Natarajan; Jafri, RI; Dhathathreyan, KS (2016). «Kucernak». Anthony RJ. 41 (12): 5598–5604. doi:10.1016/j.ijhydene.2016.01.077. hdl:10044/1/28872  
  30. ↑ Kakati, BK. «In-situ O3 rejuvenation of SO2 contaminated Polymer Electrolyte Fuel Cell: Electrochemistry, single cell and 5-cells stack studies» (PDF). 5th European PEFC & H2 Forum. Consultado em 14 July 2015. Cópia arquivada (PDF) em 14 July 2015  Verifique data em: |acessodata=, |arquivodata= (ajuda)
  31. ↑ «In Situ Hydrogen Generation Fuel Cell for Future Soldier Power Systems – HDIAC». Hdiac. Consultado em 7 de fevereiro de 2023 
  32. ↑ Shi, Lin; Zhao, Yun; Matz, Stephanie; Gottesfeld, Shimshon; Setzler, Brian P.; Yan, Yushan (March 2022). «A shorted membrane electrochemical cell powered by hydrogen to remove CO2 from the air feed of hydroxide exchange membrane fuel cells». Nature Energy. 7 (3): 238–247. ISSN 2058-7546. doi:10.1038/s41560-021-00969-5  Verifique data em: |data= (ajuda)

Ligações externas

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