Célula de combustível

Da energia química à energia eléctrica

Uma célula de combustível (na realidade um grupo de células) tem essencialmente os mesmos tipos de componentes que uma bateria. Como neste último, cada célula de um sistema de célula de combustível tem um par de eléctrodos correspondente. Estes são o ânodo, que fornece os electrões, e o cátodo, que absorve os electrões. Ambos os eléctrodos devem ser imersos e separados por um electrólito, que pode ser um líquido ou um sólido, mas que deve em ambos os casos conduzir iões entre os eléctrodos a fim de completar a química do sistema. Um combustível, como o hidrogénio, é fornecido ao ânodo, onde é oxidado, produzindo iões de hidrogénio e electrões. Um oxidante, como o oxigénio, é fornecido ao cátodo, onde os iões de hidrogénio do ânodo absorvem os electrões deste último e reagem com o oxigénio para produzir água. A diferença entre os respectivos níveis de energia nos eléctrodos (força electromotriz) é a voltagem por unidade de célula. A quantidade de corrente eléctrica disponível para o circuito externo depende da actividade química e da quantidade das substâncias fornecidas como combustíveis. O processo de produção de corrente continua enquanto houver um fornecimento de reagentes, para os eléctrodos e electrólitos de uma célula de combustível, ao contrário dos de uma bateria normal, são concebidos para permanecer inalterados por reacção química.

Uma célula de combustível prática é necessariamente um sistema complexo. Deve ter características para aumentar a actividade do combustível, bombas e ventiladores, contentores de armazenamento de combustível, e uma variedade de sensores e controlos sofisticados com os quais se pode monitorizar e ajustar o funcionamento do sistema. A capacidade operacional e a vida útil de cada uma destas características de concepção do sistema podem limitar o desempenho da célula de combustível.

Como no caso de outros sistemas electroquímicos, o funcionamento da célula de combustível depende da temperatura. A actividade química dos combustíveis e o valor dos promotores de actividade, ou catalisadores, são reduzidos por baixas temperaturas (por exemplo, 0 °C, ou 32 °F). As temperaturas muito altas, por outro lado, melhoram os factores de actividade mas podem reduzir a vida útil de funcionamento dos eléctrodos, sopradores, materiais de construção e sensores. Cada tipo de célula de combustível tem assim uma gama de temperaturas de funcionamento, e um afastamento significativo desta gama é susceptível de diminuir tanto a capacidade como a vida útil.

Uma célula de combustível, como uma bateria, é inerentemente um dispositivo de alta eficiência. Ao contrário das máquinas de combustão interna, em que um combustível é queimado e o gás é expandido para funcionar, a célula de combustível converte a energia química directamente em energia eléctrica. Devido a esta característica fundamental, as células de combustível podem converter combustíveis em energia útil com uma eficiência tão elevada quanto 60 por cento, enquanto que o motor de combustão interna está limitado a eficiências próximas dos 40 por cento ou menos. O elevado rendimento significa que é necessário muito menos combustível e um recipiente de armazenamento mais pequeno para uma necessidade fixa de energia. Por esta razão, as células de combustível são uma fonte de energia atractiva para missões espaciais de duração limitada e para outras situações em que o combustível é muito caro e difícil de fornecer. Também não emitem gases nocivos como o dióxido de azoto e não produzem praticamente nenhum ruído durante o funcionamento, tornando-as candidatas a centrais municipais de geração de energia.

Uma célula de combustível pode ser concebida para funcionar de forma reversível. Por outras palavras, uma célula de hidrogénio-oxigénio que produz água como produto pode ser fabricada para regenerar hidrogénio e oxigénio. Tal célula de combustível regenerativa implica não só uma revisão da concepção dos eléctrodos, mas também a introdução de meios especiais para a separação dos gases do produto. Eventualmente, os módulos de potência que compõem este tipo de célula de combustível de alta eficiência, utilizados em conjunto com grandes conjuntos de colectores térmicos para aquecimento solar ou outros sistemas de energia solar, podem ser utilizados para manter os custos do ciclo energético mais baixos em equipamentos de vida mais longa. As principais empresas automobilísticas e de fabrico de máquinas eléctricas de todo o mundo anunciaram a sua intenção de produzir ou utilizar comercialmente células de combustível nos próximos anos.