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Inovação e Tecnologia: Célula a Combustível

Por Danielle Bohnen

Os problemas enfrentados pelo setor de energia elétrica, como, o esgotamento de combustíveis fósseis, poluição ambiental, riscos, etc, fazem com que diversos países passem a investir em tecnologias que sejam ao mesmo tempo eficientes e renováveis. Quanto menor impacto ambiental aliado às facilidades, custos baixos e bom desempenho, tanto melhor para todas as pessoas e ao meio ambiente.
Dentro deste contexto aparece a célula a combustível, uma tecnologia nova que pode ser uma das alternativas para a energia elétrica do futuro. Atualmente, estudos dessa tecnologia estão cada vez mais buscando maneiras de melhorar seu desempenho e diminuir os custos, pois é uma fonte de energia eficiente e pouco poluente. Uma célula de combustível pode converter mais de 90% da energia de um combustível em eletricidade e calor.
RCU 1-10 kW AC da HPower
 
O que é?
A célula a combustível trata-se de um aparelho conversor de energia eletroquímica, ou seja, é capaz de converter elementos químicos, como o hidrogênio e o oxigênio em água, durante esse processo gera a eletricidade.
A tecnologia da célula a combustível tem o mesmo princípio de uma bateria. Esta contém dentro de si, todos os elementos químicos a fim de convertê-los em eletricidade. Porém, neste caso, há uma vida útil, que depois de perder sua eficiência, deve ser descartada.
Pois bem, a célula a combustível funciona como uma bateria, mas, ao contrário dela, nunca morre, pois os elementos químicos fluem constantemente para ela. Enquanto existir elementos fluindo, a célula estará gerando eletricidade. Os elementos mais comumente utilizados, são o hidrogênio e o oxigênio.
Por sua capacidade de conversão e por ser uma tecnologia renovável, a célula a combustível é capaz de gerar eletricidade com mais eficiência do que os motores de combustão e à gasolina. Portanto, a célula a combustível pode substituir esses equipamentos futuramente.
Funcionamento
A tensão fornecida pela célula a combustível é de corrente contínua (CC), utilizada em motores, lâmpada e certos aparelhos. Para aparelhos de corrente alternada se faz necessário o uso de um conversor.
Existem vários tipos de células a combustível, sendo que cada uma tem um processo químico específico para seu funcionamento. Alguns são aplicados em geração estacionária de energia elétrica, outros podem ser utilizados em equipamentos portáteis ou automóveis.
Foto cedida por Ballard Power Systems Protótipo de um carro movido à célula a combustível
 
Célula a combustível com membrana para troca de prótons (PEMFC)
Trata-se de uma das tecnologias mais promissoras. Pois, é o tipo de célula que substituirá os motores automotivos e poderá ser usada inclusive em residências. PEMFC é a que funciona com o tipo mais simples de reações.
Como funciona a PEMFC?
O ânodo é o polo negativo da célula e desempenha diversos papéis. Ele é responsável por levar os elétrons liberados da molécula de hidrogênio, os quais são utilizados no circuito externo, que dispersa, através de canais, o gás hidrogênio da mesma forma, sobre a superfície do catalisador.
Já o polo positivo, denominado cátodo, tem outros canais que são responsáveis por distribuir o oxigênio na superfície do catalisador. Além disso, leva os elétrons para retornarem do circuito externo, que, a partir de então, são recombinados com os íons de hidrogênio e oxigênio, dessa combinação, temos água como resultado.
A membrana, denominada eletrólito, é a que faz a troca dos prótons, ou seja, somente conduz íons carregados positivamente, bloqueando os elétrons.
Já o catalisador trata-se de um material que é responsável por facilitar a reação entre os elementos. É feito de pó de platina, é grosseiro e poroso, para que a área superficial de platina fique, ao máximo, exposta aos elementos.
 
A reação química de cada célula produz cerca de 0,7 volts, ou seja, para que o valor seja significativo a ponto de ser utilizado em diversas aplicações, várias células devem ser combinadas, formando, assim, uma bateria de células a combustível. Assim, o sistema de células tem a vantagem de ser modular e, por isso, pode ser construído para diversas potências elétricas.
Uma das maiores vantagens desse tipo de célula, a PEMFC, é o fato de operar em temperaturas baixas, de 80ºC, portanto pode se aquecer rapidamente e não dependem de estruturas de contenção. 
O oxigênio utilizado para seu funcionamento é facilmente obtido do ar, porém com o hidrogênio a coisa complica. A célula a combustível ainda não é utilizada em nível comercial, pois o hidrogênio oferece algumas limitações. Um delas é a falta de tubulações para as residências e também não existem bombas de hidrogênio em postos para automotivos.
Além disso, o hidrogênio não é fácil de ser armazenado, nem distribuído. Essa questão pode ser resolvida com um equipamento específico denominado reformador, que é responsável por transformar combustíveis de hidrocarboneto ou álcool em hidrogênio, para que assim, possa alimentar a célula. Porém, os reformadores geram calor em demasia e emitem outros gases além do hidrogênio. Ou seja, não são capazes de produzir hidrogênio puro, valendo-se de outros aparelhos que purificam o gás, sem ainda obter um resultado ideal.
Os combustíveis mais propícios para serem utilizados nas células domiciliares, são o gás natural, o propano e o metanol, pois já dispomos de estrutura em residências que transportam esses combustíveis.
O combustível ideal para células em automotivos, é o metanol, pois é um líquido transparente com propriedades semelhantes às da gasolina, ou seja, é fácil de transportar e distribuir.
O maior desafio encontrado pelos pesquisadores além da questão do hidrogênio, é substituição da platina, já que trata-se de um metal raro e extremamente caro.
Por que células a combustível?
Um dos principais objetivos que levam muitos países a investirem em experimentos e estudos em torno desta tecnologia, é a poluição ambiental. Por exemplo no caso de veículos automotivos, torna-se claro que o uso de baterias de células a combustível é mais eficiente e muito menos poluente, por ser uma tecnologia renovável, em relação à eficiência mecânica.
Tipos de células a combustível
Células a combustível do ácido fosfórico (PAFC)
Demora mais tempo para se aquecerem, por isso não são ideais para uso automotivo, mas poderão empregadas em pequenos sistemas estacionários de geração de energia.
Células a combustível de óxido sólido (SOFC):
São ideais para geradores de energia estacionários em grande escala, para fornecimento de eletricidade em fábricas e cidades. Trabalham em temperaturas que superam os 10000ºC, então o vapor resultande pode ser reaproveitado pelas turbinas aumentando a geração de energia elétrica, contribuindo para o aumento da eficiência de todo o sistema.
Células a combustível de carbono fundido (MCFC)
Trabalham de forma semelhante às SOFC, porém a temperaturas que não passam de 600ºC, fato que traz algumas vantagens. Pode ser aplicada em grandes geradores estacionários, mas não requer materiais altamente resistentes ao calor.
Células Combustíveis Alcalinas (CCA)
Aqui, a redução de oxigênio no cátodo é mais rápida, então podem ser utilizados metais menos nobres na sua estrutura. Mas, os elementos alcalinos dissolvem o gás carbônico, o que torna o funcionamento mais complexo, apesar de apresentar custos mais baixos.
Aplicação das células
Os carros serão abastecidos por células a combustível em lugar de baterias e motores como conhecemos hoje. As células serão abastecidas com metanol ou gasolina. Em futuro a longo prazo, podemos pensar inclusive em tecnologias que possam armazenar o hidrogênio sem o uso de reformadores.
Essa tecnologia já está sendo testada há anos nos EUA. Os ônibus de algumas cidades, são movidos por células de combustível. A princípio, a bateria era muito grande, ocupando 1 terço do veículo, mas, hoje em dia, os avanços nesta área já puderam proporcionar células mais eficientes e menores.
onibus apresentado pela empresa Ballard Power Systems em 1993
Em caso de eletrônicos portáteis, as células substituem a bateria. A célula a combustível proporciona uma vida útil mais longa do que as baterias comuns, pois poderá ser recarregada por combustível facilmente.
Nas residências a geração de energia elétrica por células a combustível já está sendo usada em algumas áreas nos EUA. O sistema utilizado serve-se de gás natural e produz 7 Wh de energia. Este sistema não só proporciona energia como, também, calor, que pode ser utilizado no aquecimento de água e aquecedores.
Foto cedida por Ballard Power Systems Bateria de células combustível capaz de mover um automóvel
As centrais de produção podem ser construídas perto dos centros de consumo, o que reduz os gastos com transmissão e transporte. Sendo assim, podem substituir as usinas termoelétricas que utilizam combustíveis fósseis para a geração de energia elétrica, altamente poluidores e não-renováveis. Isso acontece porque as centrais de células a combustível tem emissões dez vezes menores do que preveem as normativas ambientais, ou seja, produzem um número bastante pequeno de dióxido de carbono.
estação eletrica estacionaria
Por não possuírem parte móveis, as células a combustível são mais confiáveis que os motores de combustão, que sofrem travas e falhas durante o funcionamento. Além disso, tem grau de ruído muito aquém às usinas que funcionam a vapor.
Soluções
Pesquisas ao redor no mundo, tentam encontrar soluções para as barreiras que a tecnologia das células a combustível ainda apresentam. Existem testes feitos com bio-combustíveis, visto que usar gás natural e gasolina, pode reduzir a poluição do ar, mas os problemas causados pela erosão e exploração de combustíveis fósseis continua.
De acordo com a revista Inovação e Tecnologia, cientistas estadosunidenses da Universidade da Pensilvânia, construíram um protótipo de células a combustível alimentado por microorganismos. Isso quer dizer que, além de gerar energia elétrica, o sistema é capaz de purificar água de esgotos.
A célula alimentada por bactérias funciona de maneira similar às células à combustível , ou seja gera eletricidade a partir de uma reação química. A diferença é que no lugar de combustíveis, micróbios e bactérias metabolizam seu alimento, liberando elétrons e assim, corrente elétrica estável.
celula de microroganismos
Esse sistema é adequado para tratamento de esgoto e tem a vantagem de liberar eletricidade como “sub-produto”. A célula é constituída de um cilindro plástico onde encontra-se oito anodos de grafite e no centro o cátodo. A água suja é bombeada para o interior da câmara e serve de alimento para os microorganismos. As bactérias ficam no anodos, assim, os elétrons liberados por elas, fluem ao longo do circuito, que interconecta anodos e catodos.
Fonte:
Inovação e Tecnologia
HSW
Planeta Clix
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