Como funciona a célula a combustível?

As Células a Combustível (CC) são, em principio, baterias (pilhas) químicas, ou seja, dispositivos que convertem energia química diretamente em energia elétrica e térmica, proporcionando portanto, uma operação contínua, graças à alimentação constante de um combustível. Esta conversão ocorre por meio de duas reações químicas parciais em dois eletrodos separados por um eletrólito apropriado, ou seja, a oxidação de um combustível no ânodo e a redução de um oxidante no cátodo com o auxílio de catalisadores especialmente desenvolvidos, indicadas nas reações (1), (2) e (3):

Ânodo: 2H₂  ® 4 H⁺ + 4e^-  (1)

Cátodo: O₂ + 4H⁺ + 4e^- ® 2H₂O  (2)

Figura  7 –  Desenho Esquemático de uma Célula a Combustível

As Células a combustível possibilitam a obtenção de altas eficiências, ou seja, um melhor aproveitamento do combustível, mesmo e especialmente a baixas temperaturas. Na prática, obtêm-se eficiências de 55 a 60% para o sistema de CC global. Entretanto, deve-se salientar que instalações convencionais modernas, com turbinas a gás e vapor otimizadas, também já atingem valores de eficiência de 53 %. Assim, tem-se que a eficiência, isoladamente, não é a principal vantagem de sistemas de geração de energia com CC, mas sim, o seu inerente fator ecológico, com baixíssima geração de poluentes, além de serem silenciosas, são compactas e de fácil manutenção. Por estas razões, vislumbra-se um mercado para sistemas de CC para geração de energia, com aplicações localizadas de até alguns MW de potência, como, por ex., em hospitais, condomínios residenciais, repartições públicas, etc. As vantagens das CC aumentam quando se tem por finalidade a geração de energia móvel, caso das células de baixa temperatura, onde a sua eficiência fica bem acima dos motores convencionais. A aplicação deste tipo de CC é, então, a tração automotiva.

Figura  2–  Desenho Esquemático de um empilhamento de células unitárias para a formação de um “stack”

Existem vários tipos de CC, classificadas segundo o tipo de eletrólito que utilizam e, consequentemente, a sua temperatura de operação. A tabela abaixo relaciona os tipos de CC desenvolvidas até o presente com suas características principais, vantagens e desvantagens atuais e suas aplicações mais relevantes.

(*) PEMFC (Proton Exchange Membran Fuel Cell), PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell), MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) e SOFC (Solid Oxid Fuel Cell)

As outras, todas têm vantagens para aplicações mais específicas, por exemplo, cápsulas de foguetes. Para estas aplicações usam-se carbonato fundido. Elas utilizam eletrodos de prata e acabam custando muito mais caro. Para células comerciais, a melhor é a PEM.

PEM: A PEM, assim como o SOFC, tem um eletrólito sólido. Sendo assim, esta célula possui uma excelente resistência à passagem de gás. Ao contrário da SOFC, a célula opera a apenas 80⁰C, o que faz com que a célula atinja sua temperatura de funcionamento mais rápido, mas o calor que sai da célula dificilmente pode ser usado para cogeração de mais energia. Os resultados dos testes mostraram que a célula pode operar a altas densidades de corrente comparadas com as outras células. Entretanto, a administração de calor e de água pode limitar a operação prática do sistema. A tolerância da PEM a CO está em um baixo nível de ppm para baixas temperaturas mas pode ser muito maior se a PEM for feita para altas temperaturas.

AFC: Criada para o programa espacial Apollo, demonstrou ser muito útil para as experiências espaciais. Entretanto as pesquisas terrestres mostraram que a célula só poderia ser alimentada por Hidrogênio puro, pois pequenas quantidades de CO2 poderiam entrar em contato com a membrana e prejudicá-la de forma irreversível. Estas pesquisas descobriram formas de abastecer a membrana com outras fontes ricas em hidrogênio, de forma que chegue à célula apenas H2, mas isto encareceria de forma proibitiva a nova membrana.

PAFC: Como o CO2 do combustível reformado e o ar não reagem com o eletrólito desta célula e devido a sua baixa temperatura de funcionamento, esta seria uma boa opção  de fonte de energia. Além disso a sua temperatura de funcionamento permite que o calor gerado por ela seja utilizado de outra forma, como por exemplo aquecer água ou ar, ou ainda funcionar de maneira conjunta com outro tipo de gerador. Entretanto a sua eficiência energética é a menor dentre as células combustível, cerca de 37 a 42%. Além disso o gás CO trocado por uma reação de troca com vapor de água para menos de 3 a 5 vol% na entrada do ânodo da célula ou afetará a catálise.

SOFC: esta é a célula que esta passando por uma maior período de desenvolvimento, começando no fim dos anos 50.  Devido ao eletrólito sólido, a célula pode ter várias formas, como tubular, plana ou monolítica. A cerâmica sólida de sua constituição alivia qualquer problema de corrosão da célula. A ausência de líquidos elimina o problema de movimento na eletrolise ou de enchente nos eletrodos. A cinética da célula é rápida e o CO e diretamente usado como combustível. Não há exigência de CO₂  no cátodo como na MCFC. Devido a temperatura de operação, em torno de1000^oC, o combústível pode ser reformado fora da célula. A elevada temperatura tem seus problemas. Há expansões térmicas diferentes entre os materiais e a vedação é difícl em células planas. A alta temperatura limita a seleção de materiais e dificulta o processo de fabricação. A célula exibe ainda uma alta resistividade no eletrólito, gerando uma baixa performance. Ao tentar abaixar a temperatura de funcionamento da célula, a resistividade aumenta.

Devido a estes fatores, a célula usada hoje em dia, nas mais diversas aplicações é a PEM.