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)

Escolhendo-se, por exemplo, hidrogênio como combustível e oxigênio como oxidante, tem-se na denominada célula ácida, a formação de água e calor, além da liberação de elétrons livres, que podem gerar trabalho elétrico. Um esquema simplificado de uma CC ácida é apresentado na figura (1). Na figura (2) pode-se verificar o empilhamento de 3 conjunto de pilhas unitárias para a formação de um “stack’, do tipo PEM desenvolvido pela empresa.
Os prótons produzidos na reação anódica são conduzidos pelo eletrólito até o cátodo, onde se ligam aos ânions O2-, formando água. Ao contrário dos motores a combustão, que têm sua eficiência teórica (máxima) determinada pelo ciclo de Carnot.

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.

Tipo (*)

Eletrólito

Faixa de temp.

(°C)

Vantagens

Desvantagens

Aplicações

PEMFC

Polímero

(H3O+)

20-120

Alta densidade de potência

Operação flexível

Mobilidade

Custo da membrana e catalisador

Contaminação do catalisador com CO

Veículos automotores

Espaçonave

Unidades estacionarias

PAFC

H3PO3

(H3O+)

160-220

Maior desenvolvimento tecnológico

Tolerância a CO

Controle da porosidade do eletrodo

Eficiência limitada pela corrosão

Unidades estacionárias

Geração de calor

MCFC

Carbonatos fundidos

(CO32-)

550-660

Tolerância a CO/CO2

Eletrodos à base de Ni

Corrosão do cátodo

Interface trifásica de difícil controle

Unidades estacionárias

Cogeração de eletricidade / calor

SOFC

ZrO2 (zircônia)

(O2-)

850-1000

Alta eficiência

(cinética favorável)

A reforma do combustível pode ser feita na célula

Problemas de materiais

Expansão térmica

Unidades estacionárias

Cogeração de eletricidade/calor

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

Dentre as tecnologias existentes para célula de H2, a tendência mundial, bem como a percepção dos estudiosos no Brasil, é de que a PEMFC deva ser a vencedora, devido ao baixo custo que poderá chegar, temperatura de operação e sua modularidade. Com a aplicação destas células pela indústria automobilística reduzirá ainda mais o custo para a geração estacionária *ref. Forbes Brasil 5/11/04.
Sobre as demais tecnologias também tem o melhor rendimento em termos de kilowatts por litro ou m3 de combustível (PEM and SOFC) a Pem tem uma resposta rápida e é indicada para unidades pequenas a médias, enquanto a SOFC é mais recomenrdada para unidades maiores – 50kw 100kw até megawatts.
Exige menos capital inicial para começar a ser produzida em comparação ao SOFC. Justamente por ser de menor porte.

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.

MCFC: Muitas das desvantagem das baixas e altas temperaturas são aliviadas por esta célula que funciona a aproximadamente 650C. Esta temperatura trás diversos benefícios: a célula pode ser feita de lâminas de metais de custo baixo, as reações ocorrem em catalisadores de níquel que são mais baratos, a reforma do combustível pode ocorrer no interior da célula, o CO pode ser usado com combustível e o calor gerado pode ser usado para outros fins. Além disso esta célula funciona muito bem com combustíveis que contenham CO2.
Entretanto ela possui algumas desvantagens: o eletrólito é muito corrosivo e móvel, a fonte de CO2  é necessária no cátodo para formar íons de carbonato. A tolerância ao enxofre é muito baixa e deve ser controlada durante a catalise. A operação exige o uso de aço inoxidável. A alta temperatura pode causar problemas nos materiais.

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 de1000oC, 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.