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Atualizado em 2 junho 2024

Tecnologia de célula de combustível

Uma célula a combustível é um dispositivo eletroquímico que converte energia química em eletricidade. Ele gera um potencial separando as reações: o hidrogênio sofre oxidação no ânodo, enquanto o oxigênio sofre redução no cátodo. Atualmente, três tipos principais de células de combustível estão em desenvolvimento ou em operação, cada um oferecendo vantagens, limitações e aplicações potenciais únicas. As principais características desses diferentes tipos de células de combustível estão resumidas na tabela abaixo.

Tipo de célula de combustívelTemperatura de operaçãoGás catódicoEletrólitoGás anódico
Membrana de troca de prótons50-100 °CAr (O2 + N2)Polímero (H+)H2
Alcalino50-100 °CAr (O2 + N2)KOHH2
Óxido sólido500-1000 °CAr (O2 + N2)ZrO2 (O2-)CH4, CO
Principais tipos de células de combustível e suas correspondentes características-chave.

As células a combustível de membrana de troca de prótons (PEM) utilizam um polímero sólido como eletrólito e apresentam eletrodos de carbono porosos embutidos com um catalisador de platina. Eles operam usando apenas hidrogênio, oxigênio do ar e água, eliminando a necessidade de fluidos corrosivos que outras células de combustível podem exigir. Normalmente, essas células de combustível são alimentadas por hidrogênio puro fornecido por tanques de armazenamento ou reformadores a bordo.

As células de combustível PEM funcionam a temperaturas relativamente baixas, em torno de 50-100°C. No entanto, o catalisador de platina é altamente suscetível à intoxicação por CO, necessitando de um reator adicional para reduzir o CO no gás combustível se o hidrogênio se originar de álcool ou combustíveis de hidrocarbonetos. Para resolver esse problema, os desenvolvedores estão investigando catalisadores de platina/rutênio que exibem maior resistência ao CO.

As células a combustível PEM são empregadas principalmente no transporte e em algumas aplicações estacionárias. Estruturalmente, uma célula a combustível de membrana de troca de prótons compreende uma membrana de troca de prótons (eletrólito polimérico) posicionada entre um ânodo e um cátodo. A figura abaixo fornece uma representação esquemática de uma célula de combustível PEM.

Ilustração do princípio de funcionamento de uma célula a combustível de membrana de troca de prótons (PEM)

Os processos que ocorrem na célula de combustível são os seguintes:

  1. Introdução do combustível de hidrogênio: O combustível de hidrogênio é canalizado através de placas de campo de fluxo para o ânodo de um lado da célula de combustível, enquanto o oxigênio do ar é direcionado para o cátodo do lado oposto.
  2. Reação do oxigênio no cátodo: No cátodo, o oxigênio reage com os prótons da membrana de troca de prótons e os elétrons do eletrodo.
  3. Dissociação de hidrogênio no ânodo: No ânodo, moléculas de hidrogênio se dissociam e adsorvem como átomos de hidrogênio em um catalisador de platina.
  4. Transferência de prótons: A membrana de troca de prótons permite que os íons de hidrogênio carregados positivamente passem para o cátodo.

A reação global que ocorre na célula a combustível PEM é: 2H2 + O2 → H2O.

As células de combustível alcalinas (AFCs) estavam entre as primeiras tecnologias de células de combustível desenvolvidas e foram amplamente utilizadas no programa espacial dos EUA para produzir energia elétrica e água a bordo de naves espaciais. Essas células a combustível utilizam uma solução de hidróxido de potássio em água como eletrólito e podem empregar vários metais não preciosos como catalisadores no ânodo e no cátodo.

Os AFCs de alta temperatura operam em temperaturas entre 100°C e 250°C, mas projetos mais recentes funcionam em temperaturas mais baixas, de aproximadamente 23°C a 70°C. Os AFCs são células a combustível de alto desempenho devido à rápida taxa de reações químicas dentro da célula. Eles também são altamente eficientes, alcançando eficiências de 60% em aplicações espaciais.

No entanto, uma desvantagem significativa das AFCs é sua suscetibilidade à intoxicação por dióxido de carbono (CO2); mesmo pequenas quantidades de CO2 no ar (400 ppm) podem prejudicar seu funcionamento, exigindo a purificação de hidrogênio e oxigênio usados na célula. Essa sensibilidade ao CO2 também afeta o tempo de vida da célula, ou a duração antes que ela precise ser substituída. No entanto, as pilhas AFC demonstraram operação estável por mais de 8000 horas.

As células a combustível de óxido sólido (SOFCs) utilizam um composto cerâmico duro e não poroso como eletrólito. Devido à natureza sólida do eletrólito, essas células não precisam ser construídas na configuração em forma de placa típica de outros tipos de células a combustível. Prevê-se que os SOFCs alcancem uma eficiência de cerca de 50-60% na conversão de combustível em eletricidade.

Os SOFCs operam em altas temperaturas, aproximadamente 1000°C. Esta operação de alta temperatura elimina a necessidade de catalisadores de metais preciosos. Além disso, os SOFCs são o tipo de célula a combustível mais resistente ao enxofre, capaz de tolerar níveis significativamente mais altos de enxofre em comparação com outros tipos de células. Eles também são imunes ao envenenamento por monóxido de carbono (CO), permitindo que o CO seja usado como combustível.

No entanto, a alta temperatura de operação apresenta algumas desvantagens. Isso resulta em uma inicialização lenta e requer uma proteção térmica substancial para reter o calor e proteger o pessoal. Embora isso possa ser aceitável para aplicativos utilitários, ele representa desafios para o transporte ou pequenos aplicativos portáteis.

Nos últimos anos, as células a combustível de membrana de troca de prótons emergiram como a tecnologia mais utilizada para
aplicações industriais em larga escala. Em particular, a indústria automotiva tem se concentrado quase
exclusivamente sobre esta tecnologia. O sistema DASH Power fabricado pela GRZ Technologies utiliza células de combustível PEM.

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