Como funciona a 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 gásna 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%.

Energia de Bateria e de Gasolina

A eficiência do carro à gasolina é surpreendentemente baixa. Todo calor expelido como gases da exaustão ou que vai para o radiador é energia desperdiçada. O motor também usa bastante energia para acionar bombas, ventiladores e geradores em funcionamento. De tal forma que a eficiência global de um motor acionado por gasolina automotiva é de 20%. Isto é, cerca de 20% do conteúdo da energia térmica da gasolina é convertida em trabalho mecânico.

Um carro acionado por energia elétrica tem uma eficiência bem razoável. A bateria é cerca de 90% eficiente (a maioria das baterias gera algum calor, ou exige aquecimento) e o motor/inversor elétrico tem eficiência de cerca de 80%. Isto fornece uma eficiência global de cerca de 72%.

A história, porém, tem outros ângulos. A eletricidade usada para energizar o carro foi gerada em outro local. Se sua origem tiver sido em uma usina que utilizou a combustão (sem apelar para o processo nuclear, hidroelétrico, solar ou eólico), somente cerca de 40% do combustível foi convertido em eletricidade. Carregar o automóvel exige a conversão da corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC). A eficiência deste processo é de 90%, aproximadamente.

Portanto, se olharmos para o ciclo completo, a eficiência de um carro elétrico distribui-se em 72% para o carro, 40% para a usina de energia e 90% para carregar o carro. Corresponde, portanto, a uma eficiência global de 26%. Esta eficiência varia consideravelmente, dependendo do tipo de usina energética que tiver sido empregado. Se a eletricidade tiver vindo de umahidroelétrica por exemplo, ela praticamente foi gratuita (não tivemos de queimar combustível para gerá-la), e a eficiência do carro elétrico corresponderia a 65%.

Pode-se ter uma surpresa quando se considera como estão próximas essas 3 tecnologias. Esse exercício aponta para a importância de se considerar o sistema inteiro, não apenas o automóvel. Poderíamos dar mais um passo ainda indagando qual a eficiência do processo de produção da gasolina, do metanol ou do carvão.

A eficiência, entretanto, não é o único aspecto a ser considerado. As pessoas não vão guiar um carro apenas porque ele é mais eficiente e se preocupam com outros aspectos:

• o carro é fácil de ser abastecido?
• ele tem boa autonomia antes do reabastecimento?
• é tão rápido quanto os outros na estrada?
• polui muito?

A lista de questionamentos, naturalmente, é bem mais extensa. No final das contas a tecnologia vencedora deverá ser capaz de equilibrar os aspectos da eficiência com os da praticabilidade.

Existem muitas outras tecnologias de células a combustível sendo desenvolvidas para possíveis usos comerciais.

• Células a combustível alcalinas (AFC): este é um dos mais antigos projetos. Tem sido usado no programa espacial dos EUA desde a década de 1960. A AFC é bastante suceptível à contaminação, por isso exige hidrogênio puro e oxigênio. É tambem uma tecnologia caríssima, daí a pequena probabilidade de comercialização da sua célula a combustível.
  
  
• Células a combustível do ácido fosfórico (PAFC): poderá ser potencialmente empregada em pequenos sistemas estacionários de geração de energia. Como operam em temperaturas mais altas do que as das células a combustível PEM, exigem mais tempo para se aquecerem. Isto as torna inadequadas para uso automotivo.
  
  
• Células a combustível de óxido sólido (SOFC): essas células são mais adequadas para os geradores de energia estacionários em grande escala, capazes de fornecer eletricidade para fábricas e cidades. Este tipo de célula a combustível opera em temperaturas muito altas, em torno de 1.000°C. Uma temperatura tão alta assim implica menor confiabilidade, mas tem uma vantagem: o vapor produzido pela célula a combustível pode ser canalizado para turbinas e aumentar a geração de eletricidade. Isto aumenta a eficiência global do sistema.
  
  
• Células a combustível de carbonato fundido (MCFC): essas células a combustível também são mais adequadas para os grandes geradores estacionários de energia. Operam a 600°C, podem assim gerar vapor  para gerar mais energia. Como operam em temperaturas mais baixas do que as das células SOFC, não precisam de materiais tão exóticos. Isto faz com que sejam menos dispendiosas.

Como discutimos anteriormente, as células a combustível podem ser usadas para diversas finalidades. Cada uso proposto tem seus próprios desafios e problemas a serem equacionados. Examinemos as diversas aplicações, começando com os automóveis.

Os carros abastecidos com células a combustível devem começar a substituir os de gasolina e diesel dentro de alguns anos. Tal carro, bastante semelhante ao carro elétrico, usa a célula a combustível e o reformador ao invés de baterias. Muito provavelmente seu carro à célula a combustível será abastecido com metanol, embora algumas companhias estejam desenvolvendo reformadores de gasolina. Outras companhias esperam se ver livres dos reformadores completamente projetando aparelhos avançados de armazenagem de hidrogênio.

As células a combustível também são usadas para eletrônicos portáteis como laptops, celulares e até mesmo aparelhos auditivos. Nessas aplicações, a célula a combustível fornecerá vida útil mais longa do que a que seria dada por uma bateria e seria ainda possível "recarregá-la" rapidamente com combustível líquido ou gasoso.

Várias cidades nos EUA já têm seus ônibus movidos por células a combustível. Os ônibus foram uma das primeiras aplicações das células a combustível porque, inicialmente, elas precisavam ser bastante grandes para produzir a energia necessária para a movimentação de um veículo. Nos primeiros ônibus movidos à células a combustível, aproximadamente um terço do veículo era ocupado pelas células e seus equipamentos periféricos. Agora, depois que se conseguiu aumentar a densidade de energia, os ônibus podem rodar com células a combustível muito menores.

A geração doméstica de energia é uma aplicação promissora, já disponível em algumas áreas dos EUA. A General Electric(em inglês) oferece um sistema gerador a célula a combustível fabricado pela Plug Power (em inglês). Esse é um sistema que usa gás natural ou um reformador de propano e que produz até 7 quilowatts de energia (suficiente para a maioria das residências). Um sistema como esse produz não só eletricidade como também significativas quantidades de calor, sendo possível usá-lo para aquecimento no inverno em aquecedores domiciliares sem uso de energia adicional.

Algumas tecnologias de células a combustível têm potencial para substituir as usinas convencionais geradoras de eletricidade por combustão. As grandes células a combustível serão capazes de gerar eletricidade de maneira mais eficiente do que as usinas geradoras de hoje em dia. As tecnologias de células a combustível em presente desenvolvimento para essas usinas gerarão eletricidade diretamente do hidrogênio na célula a combustível, mas também usarão o calor e a água produzidos na célula para energizar turbinas a vapor e gerar ainda mais eletricidade. Já existem sistemas de grandes células a combustível transportáveis para fornecimento de energia de reserva para hospitais e fábricas.

Fonte: http://carros.hsw.uol.com.br