Como funciona a célula a combustível

Autor: 
Karim Nice
célula a combustível

É possível que muitas notícias sobre célula a combustível tenham chegado ao seu conhecimento recentemente. De acordo com vários noticiários, é bem provável que em um futuro próximo façamos uso da nova tecnologia para gerar a energia elétrica que consumimos em nossos carros e casas. A tecnologia é extremamente interessante para todos nós e em todos estágios de nossa vida, pois oferece meios de obter energia com mais eficiência e menos poluição. Mas como isso acontece?


Foto cedida por Ballard Power Systems
Protótipo de um carro movido à célula a combustível

Nesse artigo, repassaremos ligeiramente todas as tecnologias de célula a combustível, as existentes e as emergentes. Detalharemos como funciona e discutiremos suas aplicações potenciais.

Sob o ponto de vista técnico, uma célula a combustível é um aparelho conversor de energia eletroquímica. A célula a combustível converte os elementos químicos hidrogênio e oxigênio em água, e gera eletricidade enquanto faz isso. A célula a combustível deveria ser chamada de pilha a combustível, mas o termo célula acabou prevalecendo.

Outro aparelho eletroquímico que conhecemos bem é a bateria. Uma bateria tem todos os elementos químicos dentro dela, e também os converte em eletricidade. Isso significa que a bateria eventualmente "morre", obrigando-nos a jogá-la fora ou a recarregá-la.

No caso da célula a combustível, os elementos químicos fluem constantemente para a célula. Ela nunca morre. Desde que existam elementos químicos afluindo, a eletricidade emanará da célula a combustível. Atualmente, a maioria das células a combustível utiliza o hidrogênio e o oxigênio.


Foto cedida por Ballard Power Systems
Bateria de células combustível capaz de mover um automóvel

A célula a combustível compete com muitos outros tipos de aparelhos de conversão de energia, incluindo as turbinas a gás na usina geradora de eletricidade de sua cidade, o motor à gasolina de seu carro e a bateria do seu laptop . Os motores de combustão como a turbina e o motor à gasolina queimam combustível e usam a pressão criada pela expansão dos gases para fazer trabalho mecânico. As baterias convertem a energia química novamente em energia elétrica, quando isto se torna necessário. As células a combustível fazem essas tarefas de forma mais eficiente.

A célula a combustível fornece tensão em CC (corrente contínua) que pode ser empregada para energizar motores, lâmpadas e outros aparelhos elétricos.

Existem muitos tipos de células a combustível, cada qual com um processo químico responsável pelo seu funcionamento. Elas geralmente são classificadas pelo tipo de eletrólito que usam. Alguns tipos de células a combustível trabalham bem na geração estacionária de energia elétrica. Outras podem ser úteis em pequenas aplicações portáteis ou para energizar automóveis.

A célula a combustível com membrana para troca de prótons (PEMFC) é uma das tecnologias mais promissoras. Este é o tipo de célula a combustível que acabará energizando carros, ônibus e, talvez, até mesmo nossas casas. A PEMFC faz uso de uma das mais simples reações da célula a combustível. Primeiramente, vejamos em que consiste uma célula a combustível de membrana de troca de prótons (PEM):


Figura 1 - Partes da uma célula a combustível PEM

Na figura 1 pode ser visto que existem 4 elementos básicos em uma PEMFC:

  • o ânodo, pólo negativo da célula a combustível que desempenha vários papéis. Ele leva os elétrons liberados das moléculas de hidrogênio para que sejam usados no circuito externo. Esse circuito possui canais que dispersam o gás hidrogênio igualmente sobre a superfície do catalisador.
  • enquanto isso o cátodo, pólo positivo da célula a combustível, tem outros canais distribuindo o oxigênio na superfície do catalisador. Ele também leva os elétrons ao retornarem do circuito externo do catalisador, que são então recombinados com os íons de hidrogênio e oxigênio para formar água.
  • o eleletrólito é a membrana trocadora de prótons. Esse material especialmente tratado assemelha-se a um embrulho plastificado comum de cozinha e somente conduz íons positivamente carregados. A membrana bloqueia os elétrons.
  • o catalisador é um material especial que facilita a reação entre o oxigênio e o hidrogênio. Geralmente é feito de pó de platina finamente coado através de papel de carbono poroso ou tecido. O catalisador é grosseiro e poroso, tornando possível que a máxima área superficial da platina seja exposta ao hidrogênio e ao oxigênio. A face revestida de platina do catalisador fica em frente da PEM.

Animação mostrando o funcionamento de uma célula a combustível

Química de
uma célula a combustível

Lado do ânodo:
2H2 => 4H+ + 4e-

Lado do cátodo:
O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O

Reação líquida:
2H2 + O2 => 2H2O

Figura 2 gás hidrogênio pressurizado (H2) entrando na célula a combustível do lado do ânodo. Esse gás é pressionado através do catalisador. A molécula de H2 quando entra em contato com a platina no catalisador divide-se em 2 íons de H+ e em 2 elétrons. Os elétrons são levados através do ânodo, percorrem seu caminho através do circuito externo (fazendo trabalho útil, como o de colocar um motor em funcionamento) e voltam para o lado do cátodo na célula combustível.

Enquanto isso, no lado do cátodo da célula a combustível, o gás oxigênio (O2) está sendo forçado através do catalisador e acaba formando 2 átomos de oxigênio. Cada um desses átomos tem uma forte carga negativa. Essa carga negativa atrai 2 íons de H + através da membrana, que combinam com um átomo de oxigênio e com 2 dos elétrons do circuito externo para então formar uma molécula de água (H2O).

Esta reação, ocorrendo em uma única célula a combustível, produz apenas cerca de 0,7 volts. Para elevar essa tensão a um valor mais significativo, muitas células a combustível separadas devem ser combinadas para formar uma bateria de células a combustível.

As PEMFC operam em temperaturas razoavelmente baixas (cerca de 176 graus Fahrenheit ou 80 graus Celsius), significando que podem se aquecer rapidamente e que não exigem estruturas de contenção dispendiosas. Melhorias constantes na engenharia e nos materiais dessas células têm aumentado a densidade de energia de tal modo que aparelhos do tamanho de pequenas malas têm conseguido movimentar automóveis.

Problemas das células a combustível

Na última seção, vimos que uma célula a combustível usa o oxigênio e o hidrogênio para produzir eletricidade. O oxigênio exigido para uma célula a combustível vem do ar, então, em uma célula combustível PEM, o ar atmosférico comum é bombeado para dentro do cátodo. Entretanto, o hidrogênio não é obtido com tanta facilidade. Existem algumas limitações que o tornam impraticável para a maioria das aplicações. Por exemplo, não existem tubulações de hidrogênio vindo das residências, e nem é possível usar bombas de hidrogênio no posto de gasolina.

O hidrogênio é difícil de ser armazenado e distribuído. Seria bem mais conveniente se as células a combustível pudessem usar combustíveis disponíveis com maior facilidade. Este problema é resolvido por um aparelho chamado reformador, que transforma combustíveis de hidrocarboneto ou álcool em hidrogênio, que podem então ser usados para alimentação da célula a combustível. Infelizmente, os reformadores não são perfeitos, geram calor e produzem outros gases além do hidrogênio. Os reformadores se valem de vários aparelhos para purificar o hidrogênio, mas ainda assim, não conseguem produzir hidrogênio puro, diminuindo a eficiência da célula a combustível.

O gás natural, o propano e o metanol são considerados como os combustíveis de maior probabilidade de aplicação. Já existem muitas residências e prédios atendidos por gás natural ou tanques de propano, de modo que esses combustíveis são os de uso mais provável para as células a combustível domiciliares. O metanol é um combustível líquido com propriedades semelhantes às da gasolina (fácil de transportar e distribuir) e portanto um candidato provável para suprir de energia os carros de células a combustível.

Objetivos das células a combustível
A redução da poluição é uma das metas prioritárias da célula a combustível. Na comparação de um carro de célula a combustível com um a gasolina e com um a bateria, é fácil notar como os de células a combustível podem melhorar a eficiência dos automóveis.

Como os 3 tipos de carros têm os mesmos componentes (pneus, transmissão etc.), vamos deixar de lado esses aspectos e comparar as eficiências até o ponto em que a energia mecânica é gerada. Iniciaremos pelo carro de célula combustível.

Como a célula a combustível é energizada com oxigênio puro, potencialmente, ela poderia ter uma eficiência de 80%. Isto é, poderia converter 80% da energia contida no hidrogênio em energia elétrica. Entretanto, como vimos na seção anterior, não é facil estocar hidrogênio no automóvel. Adicionando então um reformador para converter metanol em hidrogênio, a eficiência global cai para uma faixa entre 30 e 40%.

Ainda precisamos fazer a conversão da energia elétrica em trabalho mecânico. Isso é feito pelo motor elétrico e pelo inversor. Uma eficiência razoável para o motor/inversor gira em torno de 80%. Temos então 30 a 40% de eficiência na conversão de metanol em eletricidade e 80% de eficiência na conversão de eletricidade em energia mecânica. Isso dá uma eficiência global entre 24 e 32%.