Célula a combustível (Fuel Cells) é uma tecnologia que utiliza o hidrogênio e o oxigênio para gerar eletricidade com alta eficiência, e também vapor d’água quente resultante do processo químico na célula a combustível. A importância da célula está na sua alta eficiência e na ausência de emissão de poluentes quando se utiliza o hidrogênio puro, além de ser silenciosa.
O seu principal combustível, o hidrogênio, pode ser obtido a partir de diversas fontes renováveis e também a partir de recursos fósseis, mas com muito menor impacto ambiental. Será em breve uma solução para a geração de energia no próprio local de consumo, desde uma indústria, residência, centros comerciais, além de sua utilização em automóveis, aviões, motos, ônibus e equipamentos portáteis, tal como o telefone celular e os laptops.
Pesquisas de desenvolvimento de CaCs estão sendo realizadas em todo o mundo por empresas de energia, montadoras de automóveis, fabricantes de equipamentos eletrônicos, universidades e centros de pesquisa especializados em energia alternativa, com o objetivo de diminuir os custos, as dimensões, aumentar a eficiência dos equipamentos e, para muitos países, diminuir a dependência de combustíveis fósseis, como o petróleo, assim como a dependência dos países do Oriente Médio, região com grande concentração e produção de petróleo e de instabilidades políticas, religiosas, econômicas e sociais.
No contexto internacional, verifica-se a adoção de ações visando ampliar o aproveitamento de energias renováveis com uma progressiva redução no uso dos combustíveis fósseis, reestruturando a produção, a distribuição, o uso da energia e incorporando novas tecnologias. Neste cenário, o papel do hidrogênio será fundamental.
Célula a Combustível de Óxido Sólido da GlobalThermoelectric.
Já foram investidos mais de dois bilhões de dólares pelas grandes indústrias automobilísticas no desenvolvimento de automóveis - carros, caminhões e ônibus - movidos por CaCs, prevendo-se a produção em massa para a nova geração de veículos movida a hidrogênio ainda no final desta década. A General Motors espera produzir até o ano de 2020, um milhão de automóveis a célula a combustível. Dentro de sete anos, será um mercado de 10 bilhões de dólares anuais.
Segundo o departamento de energia dos EUA, se o país utilizasse, em 10% da sua frota, veículos movidos por células a combustível, a economia em petróleo seria de 800.000 barris por dia. Esta quantia equivale a 13% das importações de petróleo deste país em 2003.
Há, portanto, um movimento em favor de uma economia baseada no hidrogênio, e não mais no petróleo. Uma nova infra-estrutura de armazenamento, distribuição e uso da energia deverá surgir como forma de distanciar o mundo de um regime energético baseado em combustíveis fósseis, limitando as emissões de CO2 a apenas duas vezes o nível pré-industrial, minimizando os efeitos do aquecimento global na biosfera do Planeta.
Apesar da alta tecnologia empregada para o seu funcionamento, as células a combustível são conhecidas pela ciência há mais de 150 anos. Embora tenham sido consideradas uma grande curiosidade do século XIX, elas foram alvos de intensas pesquisas principalmente durante a Segunda Guerra Mundial.
A primeira CaC foi construída em 1801 por Humphrey Davy, que realizou estudos em eletroquímica usando carbono e ácido nítrico. Mas o advogado e cientista inglês, William Grove (1811–1896), que foi considerado o precursor das células a combustível. A “Célula de Grove”, como era chamada, usava um eletrodo de platina imerso em ácido nítrico e um eletrodo de zinco imerso em sulfato de zinco para gerar uma corrente de 12 amperes e uma tensão de 1.8 volts.
Grove descobriu que colocando dois eletrodos de platina com cada lado de cada eletrodo imerso num tubo contendo ácido sulfúrico diluído, e os outros dois lados separadamente conectados em tubos fechados com oxigênio e hidrogênio, uma corrente contínua circularia entre os eletrodos. Os tubos isolados e fechados produziam água e também gases, e ele notou que o nível de água aumentou em ambos os tubos onde a corrente elétrica passou.
Em seguida, Grove construiu uma fonte de energia usando vinte e seis células em série e foi o primeiro a notar e explicitar a dificuldade de produzir altas densidades de corrente elétrica em uma pilha a combustível (várias células a combustível conectadas em série), que utiliza gases como reagentes. O problema que enfrentou na época ainda está sendo estudado atualmente por pesquisadores da área. O seu empenho neste problema é demonstrado pela seguinte citação:
“Como a ação química ou catalítica só poderia acontecer com uma placa de platina comum na linha ou marca de água onde o líquido, o gás e a platina se encontram, há dificuldade em obter um dispositivo capaz de oferecer uma superfície notável de ação”.
Em 1800, os cientistas britânicos William Nicholson e Anthony Carlisle descreveram o processo de usar eletricidade para decompor a água em hidrogênio e oxigênio. Mas combinar os gases para produzir eletricidade e água foi a grande descoberta de William Grove. Logo depois ele chamou o dispositivo desta experiência como a “bateria a gás” – a primeira célula a combustível.
O químico Ludwig Mond, dedicou a maior parte da sua carreira desenvolvendo tecnologias para a indústria química tal como o refinamento de níquel. Em 1889, Mond e seu assistente Carl Langer, descreveram a sua experiência com a CaC a hidrogênio e oxigênio. A experiência produziu uma corrente elétrica de 6 amperes – densidade de corrente de 2,8 a 3,5 mA/cm2 - numa pequena área de eletrodo de 700 cm2 produzindo uma tensão de 0,73 volts. A célula a combustível de Mond e Langer usava 0,35 g de finos eletrodos de platina porosos e um eletrólito de ácido sulfúrico. Eles observaram dificuldades utilizando eletrólitos líquidos, pois somente obtinham sucesso utilizando eletrólitos em forma sólida.
Já o cientista e fundador do campo da físico-química, Friedrich Wilhelm Ostwald, contribuiu com muitas das teorias sobre as células a combustível. Em 1893, ele determinou experimentalmente as funções dos vários componentes de uma CaC: eletrodos, eletrólito, agentes de oxidação e redução, ânions e cátions.
William Grove especulava que as reações que ocorriam na sua bateria de gás ocorriam nos pontos de contato entre eletrodos, gás e eletrólito, mas não sabia explicar além disso. Já Ostwald, que desenvolveu a relação entre as propriedades físicas e reações químicas, resolveu a incógnita do funcionamento da célula de gás de William Grove. Sua pesquisa sobre o funcionamento químico das células foi a base de trabalho para as pesquisas sobre CaCs nos anos seguintes por outros pesquisadores.
Na primeira metade do século XX, o cientista suíço Emil Baur, juntamente com seus estudantes, conduziu uma grande quantidade de pesquisas com vários tipos de tecnologias de células a combustível. Parte do trabalho de Emil Baur incluiu dispositivos de alta temperatura (utilizando prata fundida como eletrólito) e um eletrólito sólido de argila e óxidos metálicos.
No final dos anos 30, Francis Thomas Bacon começou pesquisando CaCs de eletrólito alcalino (AFC- Alkaline Fuel Cell) de alta pressão, que parecia oferecer resultados viáveis. Em 1939, ele construiu uma célula que usava eletrodos de níquel e operava numa pressão de até 220 atm numa temperatura de 100 ºC. Durante a Segunda Guerra Mundial, Bacon trabalhou no desenvolvimento de células que poderiam ser usadas nos submarinos da marinha inglesa, e em 1958 demonstrou uma CaC alcalina usando um dispositivo com eletrodo de 10 polegadas (25,4 cm) de diâmetro.
Embora fossem extremamente caras, as células a combustível de Francis Bacon provaram ser suficientemente confiáveis para atrair a atenção da Pratt & Whitney. Esta empresa se uniu com a Energy Conversion, que tinha Francis Bacon como consultor e licenciou o trabalho dele para ser utilizado no desenvolvimento de um sistema de geração de energia para as missões espaciais Gemini e Apollo da Nasa. Este sistema era constituído por três unidades de pilhas a combustível alcalinas e operavam a pressões de 3,5 atm. Na seqüência do desenvolvimento tecnológico, a temperatura das células foi aumentada para 200 ºC, e produziam potência de 1,4 kW cada. A tensão desenvolvida variava entre 27 e 31 volts, com uma vida útil limitada em 400 horas de operação, devido principalmente à corrosão do cátodo (eletrodo). Após as missões Apollo, a construção de novas células a combustível alcalinas operando com altas pressões, foi paralisada e tornou claro, levando em conta esse tipo de células, que sua comercialização tinha como principais obstáculos o alto custo e a pequena vida útil.
Mas atualmente, as CaCs apresentam uma evolução em durabilidade, diminuição dos custos e são uma das principais soluções energéticas ambientalmente amigáveis. É só uma questão de tempo para que as células a combustível estejam fazendo parte da vida das pessoas como ocorreu com os computadores pessoais.
Obs: Quando mencionamos a palavra “célula a combustível”, queremos generalizar o conceito desde uma célula apenas até várias unidades de células conectadas, formando o que alguns pesquisadores e autores chamam de pilhas a combustível. Mas o nome mais usual e preferido é “células a combustível” para ambos os sentidos (desde uma unidade até várias conectadas).
Célula a Combustível (Fuel Cell) é uma tecnologia que utiliza a combinação química entre oxigênio e hidrogênio para gerar energia elétrica, energia térmica (calor) - e água. Além das várias tecnologias existentes para combinar esses dois elementos, existem várias fontes de hidrogênio a serem utilizadas pelas CaCs, tais como a gasolina, o gás natural, o óleo diesel, o etanol (álcool), o metanol, o lixo urbano e rural, a água, entre outros, onde se pode extrair e utilizar o hidrogênio para reagir com o oxigênio do ar.
As diferentes tecnologias de célula a combustível têm basicamente o mesmo princípio. São compostas por dois eletrodos porosos: o ânodo (terminal negativo) e o cátodo (terminal positivo), cada um revestido num dos lados por uma camada de catalisador de platina ou níquel, e separados por um eletrólito (material impermeável que permite movimento aos íons positivos – prótons - entre os eletrodos).
O terminal negativo - ânodo - tem canais de fluxo que distribuem o gás hidrogênio sobre a superfície do catalisador.
Uma fina camada de catalisador recobre o eletrólito ou membrana. O catalisador é um metal, normalmente platina ou níquel, que acelera as reações químicas entre o oxigênio e o hidrogênio.
Algumas células utilizam eletrólitos líquidos e outras sólidas, como as membranas plásticas de troca de prótons para conduzirem cargas positivas, os prótons. Somente as cargas positivas atravessam o eletrólito, os elétrons não.
O terminal negativo - ânodo - tem canais de fluxo que distribuem o gás hidrogênio sobre a superfície do catalisador, e remove a água produzida durante a reação.
Dentro da célula a combustível, o gás hidrogênio
pressurizado é bombeado para o terminal negativo,
o ânodo. O gás é forçado a atravessar o catalisador.
Quando a molécula de hidrogênio entra em contato com o catalisador,
ela se separa em dois íons de hidrogênio (H+) e dois elétrons
(e-).
Os elétrons (e-) são conduzidos através do ânodo,
contornando o eletrólito
até atingirem o circuito externo, onde acendem uma lâmpada ou
motor elétrico, e retornam para o terminal positivo, o cátodo.
O fluxo de elétrons é a corrente elétrica.
