Fig. 1: Diagrama Simples Mostrando uma Célula de Combustível

A primeira lei da termodinâmica afirma: “A energia não pode ser criada nem destruída, mas pode ser convertida de uma forma para outra”. A primeira parte desta lei diz-nos que existe uma quantidade fixa de energia no universo, enquanto a segunda parte dá uma ideia de como podemos utilizar a energia disponível para alterá-la numa forma que nos seja útil. O caso ideal seria que toda a porção da energia da fonte fosse convertida na forma de nossa escolha. Por exemplo, um carro a gasolina perfeito produziria uma energia exactamente igual à energia libertada pela quebra das ligações do combustível hidrocarboneto através da combustão, o que significaria uma máquina 100% eficiente. Infelizmente, não vivemos num universo tão perfeito e tal máquina (chamada máquina de movimento perpétuo do primeiro tipo – PMM 1) não existe.

Sempre há perdas quando se trata de conversão de energia, seja por atrito, calor ou vibração. O que significa que a energia da fonte não é exatamente convertida em apenas uma forma de energia. Portanto, os engenheiros não tentam eliminar as perdas ao projetar máquinas, mas tentam minimizar as perdas ao máximo, utilizando a segunda lei da termodinâmica que trata do conceito de “Entropia”. Basicamente, esta lei explica a direcionalidade da transferência de energia dividindo a energia em duas categorias, energia de alto grau e energia de baixo grau. Uma energia de alto grau pode ser facilmente convertida em grande parte em uma energia de baixo grau, mas o inverso é mais ineficiente. Considerando o exemplo de um motor a gasolina num carro, a energia química da gasolina é primeiro convertida em energia térmica (energia de menor grau) por combustão e depois em energia mecânica (energia de maior grau) levando a baixas eficiências (cerca de 25% a 30%). ). Se pudéssemos eliminar o processo de conversão para uma energia de menor qualidade, poderíamos criar um dispositivo de energia mais eficiente. Este é exatamente o propósito por trás de uma “Célula de Combustível” que converte diretamente energia química em energia elétrica. Neste artigo vamos entender como funciona uma célula a combustível, seus diversos tipos e suas aplicações.

A Célula de Combustível – Funcionando

A célula de combustível é basicamente um dispositivo de conversão de energia eletroquímica que funciona segundo um princípio inverso ao da “Eletrólise”. Na eletrólise, a água é decomposta pela aplicação de eletricidade em hidrogênio e oxigênio, enquanto em uma célula de combustível o hidrogênio cede seus elétrons ao oxigênio e forma água. O caminho percorrido pelos elétrons é direcionado através de um circuito que produz eletricidade. Ao contrário das baterias, que também são dispositivos de energia eletroquímica, as células de combustível podem continuar produzindo energia elétrica constantemente enquanto o combustível for fornecido.

Os dois componentes Hidrogênio e oxigênio são separados por uma membrana que não permite a passagem de elétrons. O hidrogênio passa por esta membrana que separa o íon hidrogênio positivo do elétron e passa por uma solução eletrolítica em direção à seção catódica. Os elétrons que não conseguem passar pela membrana passam através do condutor para a seção do cátodo e formam um íon negativo de oxigênio. O íon positivo de hidrogênio e o íon negativo de oxigênio se combinam para formar água que é liberada como subproduto. O combustível básico de hidrogênio é fornecido através de recipientes de gás pressurizado e oxigênio do ar. O recipiente de hidrogénio pressurizado é uma instalação bastante pesada e, portanto, existem certas células de combustível que são concebidas para funcionar a partir de gases contendo hidrogénio, como gás natural limpo ou biogás renovável.

Tipos de células de combustível

Tipos de células de combustível

O eletrólito utilizado é diferente para diferentes aplicações e operam em diferentes temperaturas. Com base nisso, as células a combustível são classificadas em diferentes tipos.

• Células de combustível de membrana de troca de polímero (PEMFCs): Estas são provavelmente as células de combustível mais comumente utilizadas, uma vez que utilizam uma membrana polimérica que contém a solução eletrolítica entre os eletrodos e também opera a uma temperatura relativamente baixa de cerca de 60 a 80 graus na escala Celsius. Um material de membrana comumente usado é o Nafion, que é um polímero à base de hidrocarbonetos. O gás hidrogênio é forçado através de um catalisador revestido de platina que divide os elétrons e os íons positivos. As células de combustível imprensadas são geralmente empilhadas para fornecer a produção necessária. Eles também podem ser usados ​​para aplicativos menores e mais portáteis.

Fig. 2: Célula de Combustível de Membrana de Troca de Polímero

• Células de Combustível de Óxido Sólido (SOFCs): Eles são mais adequados para usinas estacionárias de geração de energia, pois operam em temperaturas mais altas, de cerca de 700 a 1.000 graus Celsius. Ele usa um eletrólito sólido feito de um material cerâmico chamado Zircônia Estabilizada com Ítria. Eles são exclusivos dos outros tipos, pois têm íons negativos de oxigênio viajando através do eletrólito em direção aos íons de hidrogênio. As altas temperaturas associadas a isso podem ser usadas em uma usina de cogeração, onde o calor residual desse ciclo pode ser usado para produzir vapor para alimentar uma usina de geração movida a turbina.

Fig. 3: Célula de Combustível de Óxido Sólido

• Células de Combustível Alcalinas (AFCs): Este tipo de célula de combustível é um dos projetos mais antigos feitos para os programas espaciais Apollo para gerar eletricidade e também água para os astronautas no espaço. Ele utiliza hidrogênio e oxigênio puros e, portanto, é muito caro. Soluções alcalinas como Hidróxido de Potássio (KOH) ou Hidróxido de Sódio (NaOH) são usadas como eletrólito através do qual o hidrogênio e o oxigênio puros são borbulhados. Opera em uma faixa de temperatura de 70 a 140 graus Celsius.

Fig. 4: Célula de Combustível Alcalina

• Células de combustível de carbono fundido (MCFCs): Tal como as SOFCs, este tipo de célula de combustível também opera a uma temperatura elevada de cerca de 650 graus Celsius. Ele usa sal de carbonato de lítio e potássio como eletrólito na forma fundida. A vantagem desta célula de combustível é que ela pode extrair hidrogênio dos combustíveis fósseis em geral, em vez de usar gás hidrogênio puro. Mantendo as emissões de carbono no mínimo.

Fig. 5: Célula de Combustível de Carbono Fundido

• Células de combustível de ácido fosfórico (PAFCs): Esses tipos de células a combustível usam ácido fosfórico como eletrólito para passar os íons de hidrogênio, mas ao mesmo tempo é um eletrólito não condutor. As temperaturas operacionais são de cerca de 150 a 200 graus. Embora estas temperaturas não sejam ideais para uma central eléctrica, são adequadas para alimentar centrais de ar condicionado. Embora as temperaturas mais altas levem a um tempo de aquecimento mais longo, tornando-o inadequado para automóveis.

Fig. 6: Célula de Combustível de Ácido Fosfórico

• Células de combustível de ácido fosfórico (PAFCs): Esses tipos de células a combustível usam ácido fosfórico como eletrólito para passar os íons de hidrogênio, mas ao mesmo tempo é um eletrólito não condutor. As temperaturas operacionais são de cerca de 150 a 200 graus. Embora estas temperaturas não sejam ideais para uma central eléctrica, são adequadas para alimentar centrais de ar condicionado. Embora as temperaturas mais altas levem a um tempo de aquecimento mais longo, tornando-o inadequado para automóveis.

Fig. 7: Célula de Combustível de Ácido Fosfórico

Células de combustível de metanol direto (DMFCs): Este é um tipo de célula de combustível de troca de prótons que usa metanol como fonte de combustível para fornecer hidrogênio. Sua temperatura de operação é semelhante à dos PEMFCs, mas possui menor eficiência. Pode ser usado em dispositivos portáteis que requerem uma boa densidade de potência em vez de eficiência.

Fig. 8: Célula de Combustível de Metanol Direto

Células de biocombustível enzimáticas e microbianas (EFCs e MFCs): As biocélulas a combustível enzimáticas e microbianas se enquadram na categoria especial de biocélulas a combustível que usam meios biológicos como catalisadores para liberar os elétrons. Os EFCs utilizam especificamente enzimas para este fim, que são produzidas por células vivas que são fáceis e baratas de produzir em massa, enquanto os MFCs utilizam organismos vivos reais (micróbios). Estes substituem o uso de materiais caros como platina e níquel. Enzimas e micróbios são capazes de quebrar moléculas orgânicas simples como açúcares, dejetos humanos, biocombustíveis, etc. As células de biocombustível ainda não encontraram uma maneira de sair dos laboratórios de pesquisa, mas são muito promissoras se forem comercializadas levando em consideração sua forte profissionais do ponto de vista econômico. Eles têm como objetivo encontrar aplicação na alimentação de bio-implantes, sistemas de suporte de vida de naves espaciais, etc.

Fig. 9: Célula de biocombustível enzimática e microbiana

Aplicativo

Destaque da Aplicação – Veículos com Célula de Combustível

Fig. 10: Implementação de célula de combustível em um veículo de quatro rodas