Célula a Combustível


Os transdutores eletroquímicos de operação contínua, utilizados para a conversão de energia química em energia elétrica são chamados de Célula a Combustível. Para operar ela combina dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio. Dessa união é produzida água, energia térmica e energia elétrica.

Célula a Combustível

Uma das características das operações realizadas por ela é sua alta eficiência energética. Ao converter a energia química diretamente em energia elétrica, o processo mostra-se muito eficiente, pois não perde quantias significativas de energia na transição. É diferente, por exemplo, das conversões da energia química em térmica, advindas dos combustíveis fósseis. Nesses casos a mudança para a energia elétrica se dá posteriormente. A Célula a Combustível também não enfrenta as restrições termodinâmicas impostas pelo ciclo de Carnot.

Uma das diferenças das células a combustível para as baterias químicas é que elas fornecem energia elétrica na medida em que existe uma quantidade disponível de combustível e oxidante. Dessa forma, ao contrário das baterias comuns e pilhas, ela nunca perde sua carga. E isso faz dela uma operação contínua.

Para produzir correntes e cargas elétricas que fornecerão energia a demandas específicas, as células a combustível devem ser agrupadas. Os conjuntos que as associam são chamados de Pilhas a Combustível.

A operação da Célula a Combustível opera sob um baixo impacto. Em nenhuma parte do processo pode-se notar vibrações, ruídos ou combustões, e, além disso, ele não emite particulados de nenhuma forma. Também não solta gás estufa em certas operações, pois elas são influenciadas pelo tipo de tecnologia utilizada no processo. Ela também age sem emitir gases ácidos no atual estágio de desenvolvimento. Nesses casos a taxa de poluição é muito baixa.

Combustíveis

Na conversão de energia elétrica pelas pilhas o combustível é utilizado um sistema que opera em eletrólise reversa. A água é obtida no processo pela combinação de átomos de hidrogênio e de oxigênio. Por causa dessas características, podemos utilizar uma vasta série de espécies químicas, cujo componente é, predominantemente, o hidrogênio. Entre exemplos dessas espécies temos gás hidrogênio, hidrocarbonetos de origem mineral e vegetal.

Estudos demonstraram que algumas substâncias se destacam na ativação das células a combustível. Entre elas estão:

  • Hidrogênio
  • Etanol
  • Metanol
  • Hidrazina
  • Hidrocarboneto de baixo peso molecular

O hidrogênio puro é considerado o melhor combustível para alimentar as células a combustível. No entanto, por ser uma substância difícil de armazenar, transportar e manusear, além de ter um alto custo na obtenção, o hidrogênio ainda não se mostra favorável nas suas utilizações. Além disso, existem preocupações e rígidas exigências de segurança mesmo na sua forma líquida, ou quando é combinado na forma de hidreto metálico.

Cientistas, atualmente, têm realizado pesquisas para buscar alternativas através de outras substâncias, como, por exemplo, o metanol ou o etanol reformado. Nesses casos o hidrogênio é separado da molécula do álcool no exato momento em que é utilizado na célula. Essa tecnologia possui algumas vantagens em relação ao hidrogênio puro, como a compatibilidade com a infraestrutura de distribuição de combustível atual, além do evidente custo menor.

Classificação

Hoje em dia existem infinidades de soluções energéticas devido ao desenvolvimento desses processos. Além disso, eles possibilitaram o surgimento de diversas tecnologias para a produção, funcionamento e modos de uso das células a combustível.

São tantas as possibilidades de classificação que a tarefa se tornaria quase impossíveis. Mas podemos exemplificar algumas possibilidades. Uma delas são os eletrodos, que constituem a estrutura do catodo e anodo. Existem dois tipos de eletrodos, o de fase de operação e o de geometria. O primeiro subdivide-se em bifásico (gás e sólido) e trifásico (gás, líquido e sólido). A subdivisão dos eletrodos geométricos possui dois ramos, o plano e o tubular.

Quando temos substâncias que são dissociadas ou ionizadas, e conduzem correntes elétricas ou íons, damos a elas o nome de eletrólito. A classificação dos eletrólitos compreende 5 divisões:

  • Ácidos
  • Alcalinos
  • Sólidos
  • Líquidos
  • Polimérico

Para poderem operar, as células combustíveis agem em uma determinada faixa de temperatura. Ela é dividida em três grupos principais, de baixa, média e alta operação. A temperatura pode ir de poucos graus acima da temperatura ambiente até pontos próximos à fusão de seus componentes. As operações baixas vão de 90º C até 120º C, as médias de 250º C até 450º C, e as altas de 650º C até 1220º C.

Os insumos do processo podem ser classificados através do estado físico do combustível e do comburente, assim como de seus processos de obtenção e uso. Na sua classificação há três formas. Veja quais são e exemplos delas:

  • Combustível: subdivida em gasoso (hidrogênio, por exemplo), líquido (ex.: hidrocarbonetos) e sólido (ex.: carvão).
  • Oxidante: Subdividido em líquido (ex.: H2O2 (L)), gasoso (ex.: oxigênio da atmosfera) e de alimentação.
  • Processo de obtenção: Subdividido em regenerativo, que altera os reagentes a partir dos produtos (ex.: eletrólise e reconstituição da água), integrado, que estoca energia química através da energia elétrica da rede, visando o fornecimento posterior em horário de alta demanda, e reator químico, que oxida ou reduz dos compostos orgânicos.