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Veja como funciona e quais aplicações da célula a combustível de hidrogênio

.Aprenda mais sobre essa alternativa aos combustíveis fósseis com elevada eficiência de conversão elétrica para geração de energia local sem poluição química.

Foto: iStock

A célula a combustível é um dispositivo eletroquímico que converte a energia química contida no hidrogênio em energia elétrica e água. Hoje, infelizmente os combustíveis fósseis possuem impurezas, muitas delas compostas por enxofre, e as altas temperaturas atingidas no processo de combustão implicam reação do nitrogênio presente no ar.

Além disso, nem sempre a quantidade de oxigênio presente é suficiente para que ocorra a queima total do combustível, gerando macropartículas de carbono. Todos esses fatores geram considerável poluição.

Outro problema é a eficiência do aproveitamento da energia química contida no combustível. A maior parte da energia liberada na combustão direta, como a que ocorre na queima de combustível no motor dos automóveis e nas usinas termoelétricas, está na forma de calor.

Em resumo, os maiores problemas de produção de energia por meio de combustão são:

  • combustível fóssil não é renovável;
  • o aproveitamento da energia é pequeno (baixa eficiência);
  • a poluição ambiental severa, criando problemas sérios para a saúde e bens materiais.

A célula a combustível é um equipamento que realiza uma reação eletroquímica entre o oxigênio e o hidrogênio que não representa combustão. Normalmente esses sistemas possuem alta eficiência, são silenciosos e podem ser montados de forma modular, uma vez que não possuem partes móveis.

As células a combustível estimulam a obtenção de uma solução local, pois a fonte de hidrogênio se torna particularmente flexível. Existem seis tipos de células a combustível que diferem entre si basicamente pelos elementos constituintes, pela temperatura de operação e pela pureza do gás utilizado.

Princípio de funcionamento

A célula a combustível é um tipo de bateria em que ocorre o fornecimento contínuo de energia desde que se alimente continuamente com os gases. A reação global do processo na célula a combustível utilizando hidrogênio é: 2H2(g) + O2(g) => 2H2O + energia.

Quando o hidrogênio entra em contato com um catalisador (platina ou liga de platina–rutênio, platina–irídio ou de outros materiais), ele cede elétrons para o metal ou liga produzindo H+. Esses prótons são transportados pelo eletrólito, que, no caso da célula PEM, é uma membrana polimérica (Nafion®). Essa membrana, além de transportar os prótons, é isolante elétrica.

Os elétrons, por sua vez, são conduzidos por um circuito externo gerando um fluxo de elétrons e, assim, corrente e potência elétricas. No caso do oxigênio, que pode ser obtido da própria atmosfera, é produzido vapor de água com a chegada dos prótons de hidrogênio através da membrana e a circulação dos elétrons.

Características e aplicações:

• possui elevada eficiência de conversão elétrica, chegando a 50%;
• possui elevada eficiência de conversão com cogeração chegando a 80% (calor pode ser usado para aquecer água);
• geração no local, sem poluição química, porque produz somente água, e sem poluição sonora;
• vida útil estimada de até 40 mil horas;
• o custo ainda é elevado porque é uma tecnologia nova e não é produzida em grande escala.

Aplicações da célula a combustível:

• veículos espaciais;
• energia de backup;
• geração de energia veicular: veículos elétricos e híbridos;
• geração estacionária em indústrias e residências;
• geração portátil como potência para celulares e notebooks.

Cenários

Apesar dos grandes investimentos em pesquisa e de todo o esforço, principalmente dos países industrializados (como os Estados Unidos), os impasses científicos e tecnológicos ainda não foram superados. Existe a expectativa de que, em 50 anos, ocorram avanços no sentido de tornar comerciais e disponíveis produtos das tecnologias das células a combustível.

Hoje o custo de uma unidade de geração de células a combustível do tipo PEM para aplicação como backup de energia é de aproximadamente 5 mil euros por kilowatt. Esse valor para determinados nichos de mercado já pode ser considerado competitivo. Contudo, ainda distante de uma ampla aplicação desses equipamentos.