Uma célula combustível é uma célula electroquímica, basicamente uma bateria em que é consumido um combustível e é liberada energia.
Considerada uma bateria em que os reagentes são alimentados contínuamente. Os reagentes típicos são o hidrogênio e o oxigênio. O hidrogênio é fornecido do lado do ânodo e o oxigênio no lado do cátodo. As baterias comuns têm que ser recarregadas de tempos em tempos porque os reagentes esgotam-se. As células combustíveis estacionárias não portáteis, pelo contrário, não necessitam de serem recarregadas, uma vez que os reagentes são fornecidos continuadamente.
Automóveis da Toyota com célula combustível.
As células combustíveis têm a vantagem de serem altamente eficientes e pouco poluentes. Podem ser utilizadas como sistemas de emergência, em zonas onde não existe rede elétrica, em aparelhos portáteis e veículos. Sua desvantagem é o alto custo, atualmente.
Seu uso é polêmico em várias aplicações. O hidrogênio é usado basicamente como combustível não sendo uma fonte primária de energia.
No entanto é a única fonte de energia que pode ser fabricada de outras fontes de energia. Críticos do estágio atual desta tecnologia dizem que a energia que precisa "criar" o combustível em primeiro lugar pode reduzir a eficiência final do sistema ficando pior que o mais eficiente motor de combustão interna à gasolina; é verdadeiro pois o hidrogênio é gerado pela eletrólise da água. Pode ser gerado também do metano, componente principal do gás natural com mais ou menos 80% de eficiência. O método de conversão do metano liberta gases para o meio ambiente portanto o método ideal será usar fonte que gere hidrogênio através da eletrólise.
Há problemas práticos a serem superados. Embora o uso de células combustíveis por consumidores seja possível no futuro próximo os projetos actuais tem que ser orientados de forma correta. Actualmente há projetos que se mostram capazes de fornecer energia para dispositivos portáteis como por exemplo, os telefones celulares e notebooks. Projetos actuais necessitam de abertura de ventilação e não podem ser operados dentro d'água, não podendo ser usados em aeronaves devido ao risco de vazamentos para atmosfera. Tecnologia para reabastecimento seguro das células ainda não existem, salvo testes que vem sendo feitos com o uso de células alimentadas com o álcool metanol.
Processo de transformação até uma célula combustível.
Células combustíveis são dispositivos eletroquímicos, assim não podem ser forçados a trabalhar no máximo de eficiência como as máquinas de combustão. Podem ser altamente eficientes em transformar energia química em elétrica.
Num exemplo primitivo de membrana eletrolítica polímera (PEM) de célula combustível a membrana é condutora de prótons e separa o ânodo do câtodo. Em cada lado há um eletrodo de lâmina de carbono revestido com um catalisador de platina.
No lado do ânodo o hidrogênio flui para o catalisador onde é dissociado em prótons e elétrons. Os prótons são conduzidos através da membrana para o catodo e os elétrons são forçados a percorrer um circuito externo (fornecendo força) porque a membrana é isolada eletronicamente. No catodo as moléculas de oxigênio reagem com os elétrons (que chegam pelo circuito externo) para formar água. Neste exemplo o único produto a se perder é o vapor d'água, resíduo inofensivo.
Célula combustível utilizada na NASA.
A primeira célula de combustível foi desenvolvida no século XIX por Sir William Grove. Um esboço foi publicado em 1843. Células de combustível não tiveram aplicação prática até 1960, quando então passaram a ser usadas no programa espacial americano para produzir eletricidade e água potável (hidrogênio e oxigênio fornecidos de tanques da aeronave), processo extremamente caro porque as células exigem hidrogênio e oxigênio puríssimo.
As células rapidamente adquiriam altas temperaturas ao entrar em funcionamento o que era um problema em muitas atividades. Mais adiante avanços tecnológicos em 1980 e 1990 com o uso do Nafion como eletrólito e a redução na quantidade do caríssimo catalizador de platina tornou-se possível o uso das células por parte de consumidores do automobilismo por exemplo. Na atual fase de pesquisas a Casio pretende lançar uma célula de combustível DMFC para notebooks a ser alimentada com o álcool metanol, em substituição às baterias de lítio de uso de três horas para 20 horas com o álcool que após esgotado seria trocado o cartucho vazio por outro cheio. Por outro lado a MTI Micro pretende lançar um carregador de baterias movido a célula de combustível. O metanol é tóxico, inflamável e terá de ser equacionado para ter seu uso autorizado.
Fonte: pt.wikipedia.org
Os carros Hidrogênio-powered estão ainda atualmente sob o estágio do desenvolvimento. Um carro do hidrogênio funciona principalmente no um ou outro uma fonte do combustível do hidrogênio como aquele de um motor de combustão interna, ou em uma célula combustível como aquele de um carro elétrico.
O hidrogênio vem na abundância em muitas das coisas que nós poderíamos ver hoje, o mais especialmente petróleo. É um gás muito claro que seja inflamável e poderia ser usado como uma fonte do combustível, ou poderia diretamente ser queimado em uma maneira similar àquela nos motores de combustão interna convencionais.
O hidrogênio podia ser utilizado para power carros em dois métodos sabidos. Poderia ou ser usado porque uma célula combustível ou como um combustível direto.
Quando o hidrogênio é usado como uma célula combustível, trabalha na mesma maneira que as baterias trabalham. Uma reação química é utilizada gera a eletricidade. A eletricidade produzida na reação será usada então power os motores elétricos apenas como nos sistemas do motor elétrico de carros elétricos battery-operated. No exemplo de uma célula combustível do hidrogênio, o hidrogênio reage com o oxigênio, produzindo a eletricidade no processo e na água como um by-product.
Uma outra maneira de usar o hidrogênio power carros é com a combustão direta usando os motores de combustão interna ligeiramente modificados. O conceito da combustão do hidrogênio nos motores é virtualmente o mesmo que naqueles de carros convencionais da gasolina à exceção de algumas mudanças menores ao sistema. O combustível do hidrogênio requer menos espaço de armazenamento e permite-o cargas aumentadas do veículo.
A vantagem de usar células combustíveis e hidrogênio do hidrogênio como o combustível nos carros é aquela de emissões diretas reduzidas do dióxido de carbono. As células combustíveis do hidrogênio não necessitam nenhuma combustão de combustíveis Carbono-baseados mover o carro, mas geram a eletricidade usando uma reação química.
Esta tecnologia tem muitos inconvenientes, demasiado. O hidrogênio é naturalmente um elemento muito claro, e tem uma densidade muito baixa, assim que sua energia por o volume é completamente baixa comparada a outras fontes do combustível do petróleo. Um outro inconveniente é que as células combustíveis do hidrogênio são muito caras produzir e armazenando tecnologias não estar ainda disponível para a produção maciça cost-effective.
Nos termos de usar o hidrogênio como o combustível em um processo da combustão, o espaço de armazenamento e as edições grandes do peso fazem também esta tecnologia inadequada ser considerado como um sólido e uma alternativa segura ao consumo de combustível fossil. Embora o hidrogênio poderia fàcilmente ser produzido usando fontes de energia renewable tais como a energia solar, sua produção ainda estaria aumentando a dependência do combustível fossil porque o petróleo é uma das fontes principais do hidrogênio.
A tecnologia do poder da célula combustível ou do hidrogênio do hidrogênio nos veículos está ainda em seus estágios adiantados, e mais pesquisa e desenvolvimento são requeridos antes dela poderiam inteiramente ser executados e utilizado. Até à data de hoje, as plantas para usar o hidrogênio como uma alternativa aos combustíveis fossil tais como a gasolina ou o diesel incluem aplicações no setor público do transporte. Esta planta é na linha dos esforços reduzir gáses da emissão e pollutants do ar.
Fonte: www.tech-faq.com
Nas estrelas, o hidrogênio é convertido em hélio pela fusão nuclear, processo que proporciona energia das estrelas, entre elas o Sol. Na Terra, está presente em todas as substâncias animais e vegetais, na forma de compostos em que se combina com o carbono e outros elementos.
O hidrogênio é um elemento do símbolo H, é o mais simples de todos os elementos químicos, pois está constituído de um próton e um elétron que gira ao seu redor. Embora na terra ocupe o nono lugar entre os elementos em termos de ocorrência, correspondendo a 0,9% da massa do planeta, é o mais abundante no universo, pois apresenta cerca de 75% de toda a massa cósmica.
O hidrogênio é uma substância simples, presente em abundância na superfície terrestre em combinação com os outros elementos e, em especial, na água. Em seu estado molecular, H2, como se encontra na natureza, constitui-se de dois átomos de hidrogênio, ligados por convalência, e faz parte das emanações vulcânicas em proporções reduzidas.
O hidrogênio molecular, o gás mais leve que se conhece, é incolor, inodoro, insípido e insolúvel em água. Sua densidade é 14 vezes menor que a do ar. Ao esfriá-lo com ar liquefeito e comprimi-lo fortemente, obtêm-se hidrogênio líquido, que entra em ebulição a -258,8º C à pressão atmosférica.
Distinguem-se dois tipos de hidrogênio molecular, em função do sentido de rotação de seu núcleo ou spin nuclear. Estas variedades são o para-hidrogênio, menos energético e com diferentes sentidos de rotação dos núcleos dos átomos, e o orto-hidrogênio, de maior energia e com giros análogos. Em temperatura ambiente, a proporção normal é de três partes do segundo para uma do primeiro.
O hidrogênio atômico não se encontra livre na natureza, mas sim combinado em grande número de compostos. É um elemento de grande instabilidade e, conseqüentemente, muito reativo, que tende a ajustar seu estado eletrônico de diversas formas. Quando perde um elétron, constitui um cátion H+, que é na realidade um próton. Em outros casos se produz por meio do ganho de um elétron para formar o ânion hídrico H¯, presente apenas em combinações com metais alcalinos e acalinos-terrosos.
A estrutura atômica do hidrogênio, a mais simples de todos os elementos químicos, apresenta um próton, o carga positiva, no núcleo, e um elétron, ou carga negativa, na camada externa. Seu peso atômico na escala comparativa externa. Seu peso atômico na escala comparativa é de 1,00797. A diferença entre esse valor e o observado para o peso do hidrogênio em seus compostos fez com que alguns químicos pensassem que não se tratava de um erro de medida, mas sim do peso combinado de átomos de hidrogênio de pesos diferentes, ou seja, de isótopos do hidrogênio. O químico americano Halo Clauton Urey, prêmio Nobel de química em 1934, e dois colaboradores detectaram, no resíduo de destilação do hidrogênio líquido, um hidrogênio mais pesado. Esse hidrogênio mais pesado, o deutério, 2H ou D, tem um nêutron junto ao próton do núcleo. Seu número atômico é o mesmo do hidrogênio normal, mais o peso é 2,0147.
Existe outro tipo de hidrogênio, o trício, 3H ou T, com dois números atômicos no núcleo, além do próton, presente em quantidades mínimas na água natural. O trício é formado continuamente nas altas camadas da atmosfera por reações induzidas por raios cósmicos.
Em pequenas quantidades, o hidrogênio é normalmente produzido pela ação do zinco sobre o ácido sulfúrico. Entre outros processos de produção industrial, cite-se a ação do vapor ou do oxigênio sobre hidrocarbonetos como o metano. Em 1783 e a segunda guerra mundial, o hidrogênio foi usado para encher balões, ainda que, no caso de dirigíveis para passageiros, o hélio tenha a vantagem de não ser inflamável. Atualmente sua principal aplicação é na síntese do amoníaco e do metanol na difusão do petróleo. Outra aplicação importante é na hidrogenização de substâncias orgânicas para produção de solventes, produtos químicos industriais e alimentos como a margarina e gordura vegetal. Em outros campos da indústria química e metalúrgica, emprega-se também o hidrogênio na fase de redução para metal.
Em outro contexto, a explosão de uma bomba de hidrogênio, também chamada termonuclear, é causada pela colisão e fusão de núcleos leves de hidrogênio, deutério e trício. A obtenção de um meio de controlar a reação de fusão pode levar a uma fonte de energia praticamente inesgotável, já que tem como combustível a água do mar, de altíssimo rendimento e grande pureza, por não gerar subprodutos.
Fonte: www.tabelaperiodica.hpg.com.br
