br>Bases das Células a Combustível
P>Atraves deste website procuramos materiais históricos relacionados com as células a combustível. Construímos o site para recolher informações de pessoas já familiarizadas com a tecnologia, tais como inventores, investigadores, fabricantes, electricistas, e comerciantes. Esta secção Básica apresenta uma visão geral das células de combustível para visitantes ocasionais.
| O que é uma célula de combustível? | Como funcionam as células a combustível? | |
| Porque não posso sair e comprar uma célula a combustível? | ||
| Diferentes tipos de células a combustível. | ||
O que é uma célula de combustível?
Uma célula de combustível é um dispositivo que gera electricidade através de uma reacção química. Cada célula de combustível tem dois eléctrodos chamados, respectivamente, o ânodo e o cátodo. As reacções que produzem electricidade têm lugar nos eléctrodos.
Todas as células de combustível têm também um electrólito, que transporta partículas carregadas electricamente de um eléctrodo para o outro, e um catalisador, que acelera as reacções nos eléctrodos.
Hidrogénio é o combustível básico, mas as células de combustível também necessitam de oxigénio. Um grande apelo das células de combustível é que elas geram electricidade com muito pouca poluição – muito pouco hidrogénio e oxigénio utilizados na geração de electricidade acabam por se combinar para formar um subproduto inofensivo, nomeadamente água.
Um detalhe da terminologia: uma única célula de combustível gera uma pequena quantidade de electricidade em corrente contínua (CC). Na prática, muitas células de combustível são normalmente montadas numa pilha. Célula ou pilha, os princípios são os mesmos.
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Como funcionam as células de combustível?
O objectivo de uma célula de combustível é produzir uma corrente eléctrica que pode ser dirigida para fora da célula para fazer o seu trabalho, tal como alimentar um motor eléctrico ou iluminar uma lâmpada ou uma cidade. Devido à forma como a electricidade se comporta, esta corrente regressa à célula de combustível, completando um circuito eléctrico. (Para saber mais sobre electricidade e energia eléctrica, visite “Throw The Switch” no website do Smithsonian Powering a Generation of Change). As reacções químicas que produzem esta corrente são a chave de como funciona uma célula de combustível.
Existem vários tipos de células de combustível, e cada uma funciona de forma um pouco diferente. Mas, em termos gerais, os átomos de hidrogénio entram numa célula de combustível no ânodo onde uma reacção química os despoja dos seus electrões. Os átomos de hidrogénio são agora “ionizados”, e transportam uma carga eléctrica positiva. Os electrões carregados negativamente fornecem a corrente através de fios para fazer o trabalho. Se for necessária corrente alternada (CA), a saída DC da célula de combustível deve ser encaminhada através de um dispositivo de conversão chamado inversor.
br>Gráfico por Marc Marshall, Schatz Energy Research Center
br>>p>O oxigénio entra na célula de combustível no cátodo e, em alguns tipos de células (como a ilustrada acima), ali combina com electrões que regressam do circuito eléctrico e iões de hidrogénio que viajaram através do electrólito a partir do ânodo. Noutros tipos de células, o oxigénio capta electrões e depois viaja através do electrólito até ao ânodo, onde se combina com iões de hidrogénio.
O electrólito desempenha um papel fundamental. Deve permitir apenas a passagem dos iões apropriados entre o ânodo e o cátodo. Se os electrões livres ou outras substâncias pudessem viajar através do electrólito, perturbariam a reacção química.
Se combinarem no ânodo ou no cátodo, juntos hidrogénio e oxigénio formam água, que drena da célula. Desde que uma célula de combustível seja fornecida com hidrogénio e oxigénio, gerará electricidade.
P>P>Even melhor, uma vez que as células de combustível criam electricidade quimicamente, em vez de por combustão, não estão sujeitas às leis termodinâmicas que limitam uma central eléctrica convencional (ver “Limite de Carnot” no glossário). Portanto, as células de combustível são mais eficientes na extracção de energia de um combustível. O calor desperdiçado de algumas células também pode ser aproveitado, aumentando ainda mais a eficiência do sistema.
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Então, porque não posso sair e comprar uma célula de combustível?
O funcionamento básico de uma célula de combustível pode não ser difícil de ilustrar. Mas construir células de combustível baratas, eficientes e fiáveis é um negócio muito mais complicado.
Cientistas e inventores conceberam muitos tipos e tamanhos diferentes de células de combustível na procura de maior eficiência, e os detalhes técnicos de cada tipo variam. Muitas das escolhas que os criadores de células de combustível enfrentam são condicionadas pela escolha do electrólito. A concepção dos eléctrodos, por exemplo, e os materiais utilizados para os tornar dependentes do electrólito. Actualmente, os principais tipos de electrólitos são alcalinos, carbonato fundido, ácido fosfórico, membrana de troca de protões (PEM) e óxido sólido. Os três primeiros são electrólitos líquidos; os dois últimos são sólidos.
O tipo de combustível também depende do electrólito. Algumas células precisam de hidrogénio puro, e por isso exigem equipamento extra como um “reformador” para purificar o combustível. Outras células podem tolerar algumas impurezas, mas podem necessitar de temperaturas mais elevadas para funcionarem eficientemente. Os electrólitos líquidos circulam em algumas células, o que requer bombas. O tipo de electrólito também dita a temperatura de funcionamento das células de carbonato “fundido”, tal como o nome implica.
Cada tipo de célula de combustível tem vantagens e desvantagens em relação às outras, e nenhuma é ainda suficientemente barata e eficiente para substituir amplamente as formas tradicionais de produção de energia, tais como centrais a carvão, hidroeléctricas, ou mesmo nucleares.
A lista seguinte descreve os cinco principais tipos de células a combustível. Informações mais detalhadas podem ser encontradas nas áreas específicas deste site.
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Diferentes tipos de células a combustível.
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br>Desenho de uma célula alcalina. br>Células a combustível alcalino funcionam com hidrogénio e oxigénio comprimidos. Utilizam geralmente uma solução de hidróxido de potássio (quimicamente, KOH) na água como electrólito. A eficiência é de cerca de 70%, e a temperatura de funcionamento é de 150 a 200 graus C, (cerca de 300 a 400 graus F). A potência celular varia de 300 watts (W) a 5 kilowatts (kW). As células alcalinas foram utilizadas na nave espacial Apollo para fornecer tanto electricidade como água potável. No entanto, requerem combustível hidrogénio puro, e os seus catalisadores de eléctrodos de platina são caros. E, como qualquer recipiente cheio de líquido, podem vazar.
br>Desenhar de célula combustível de carbonato fundido
br>Células combustíveis de carbonato fundido (MCFC) utilizam compostos de sal a alta temperatura (como sódio ou magnésio) carbonatos (quimicamente, CO3) como o electrólito. A eficiência varia de 60 a 80 por cento, e a temperatura de funcionamento é de cerca de 650 graus C (1.200 graus F). Foram construídas unidades com uma potência até 2 megawatts (MW), e existem concepções para unidades até 100 MW. A alta temperatura limita os danos causados pelo monóxido de carbono “envenenamento” da célula e o calor residual podem ser reciclados para produzir electricidade adicional. Os seus eléctrodos-catalisadores de níquel são baratos em comparação com a platina utilizada em outras células. Mas a alta temperatura também limita os materiais e os usos seguros do MCFCsthey seriam provavelmente demasiado quentes para uso doméstico. Além disso, os iões carbonatados do electrólito são utilizados nas reacções, o que torna necessário injectar dióxido de carbono para compensar.
Células combustíveis de ácido fosfórico (PAFC) utilizam ácido fosfórico como electrólito. A eficiência varia de 40 a 80 por cento, e a temperatura de funcionamento situa-se entre 150 a 200 graus C (cerca de 300 a 400 graus F). As células de ácido fosfórico existentes têm potências até 200 kW, e foram testadas unidades de 11 MW. Os PAFC toleram uma concentração de monóxido de carbono de cerca de 1,5%, o que amplia a escolha de combustíveis que podem utilizar. Se for utilizada gasolina, o enxofre deve ser removido. São necessários eléctrodos-catalizadores de platina, e as partes internas devem ser capazes de resistir ao ácido corrosivo.
br>Desenhar como funcionam tanto o ácido fosfórico como as células combustíveis PEM.
br>>p>Células de combustível PEM (Membrana de Troca de Polímero) funcionam com um electrólito de polímero sob a forma de uma folha fina e permeável. A eficiência é de cerca de 40 a 50 por cento, e a temperatura de funcionamento é de cerca de 80 graus C (cerca de 175 graus F). As saídas das células variam geralmente de 50 a 250 kW. O electrólito sólido e flexível não vaza nem racha, e estas células operam a uma temperatura suficientemente baixa para as tornar adequadas para casas e carros. Mas os seus combustíveis devem ser purificados, e um catalisador de platina é utilizado em ambos os lados da membrana, aumentando os custos.
br>Desenho de célula combustível de óxido sólido
br>Células combustíveis de óxido sólido (SOFC) utilizam um composto duro e cerâmico de óxidos metálicos (como cálcio ou zircónio) (quimicamente, O2) como electrólito. A eficiência é de cerca de 60%, e as temperaturas de funcionamento são de cerca de 1.000 graus C (cerca de 1.800 graus F). A potência das células é de até 100 kW. A temperaturas tão elevadas não é necessário um reformador para extrair hidrogénio do combustível, e o calor desperdiçado pode ser reciclado para fazer electricidade adicional. Contudo, as altas temperaturas limitam as aplicações das unidades SOFC e estas tendem a ser bastante grandes. Enquanto os electrólitos sólidos não podem vazar, eles podem rachar.
Mais informação detalhada sobre cada tipo de célula de combustível, incluindo históricos e aplicações actuais, pode ser encontrada nas suas partes específicas deste site. Fornecemos também um glossário de termos técnicos – a ligação é fornecida no topo de cada página tecnológica.
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