Células a combustível - DEMAR - USP

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO – USPESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENACÉLULAS A COMBUSTÍVELELETRÔNICA E INSTRUMENTAÇÃOProf. Dr. CARLOS Y. SHIGUEGuilherme Souza LeiteIsnaldi Rodrigues de Souza Filho08M00408M005MAIO 2010

RESUMOCélula a combustível (Fuel Cells) é uma tecnologia que utiliza ohidrogênio e o oxigênio para gerar eletricidade com alta eficiência, e tambémvapor d’água quente resultante do processo químico na célula acombustível. A importância da célula está na sua alta eficiência e naausência de emissão de poluentes quando se utiliza o hidrogênio puro, alémde ser silenciosa.O seu principal combustível, o hidrogênio, pode ser obtido a partir dediversas fontes renováveis e também a partir de recursos fósseis, mas commuito menor impacto ambiental. Será em breve uma solução para a geraçãode 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 células a combustível estãosendo realizadas em todo o mundo por empresas de energia, montadorasde automóveis, fabricantes de equipamentos eletrônicos, universidades ecentros de pesquisa especializados em energia alternativa, com o objetivode diminuir os custos, as dimensões, aumentar a eficiência dosequipamentos e, para muitos países, diminuir a dependência decombustíveis fósseis, como o petróleo, assim como a dependência dospaíses do Oriente Médio, região com grande concentração e produção depetróleo e de instabilidades políticas, religiosas, econômicas e sociais.No contexto internacional, verifica-se a adoção de ações visandoampliar o aproveitamento de energias renováveis com uma progressivaredução no uso dos combustíveis fósseis, reestruturando a produção, adistribuição, o uso da energia e incorporando novas tecnologias. Nestecenário, o papel do hidrogênio será fundamental.Já foram investidos mais de dois bilhões de dólares pelas grandesindústrias automobilísticas no desenvolvimento de automóveis - carros,caminhões e ônibus - movidos por células a combustível, prevendo-se aprodução em massa para a nova geração de veículos movida a hidrogênioainda no final desta década.

SUMÁRIO1 – INTRODUÇÃO .............................................................................. 41.1 – Definição ..................................................................................... 41.2 – Objetivo ...................................................................................... 41.3 – Histórico ..................................................................................... 52 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................... 82.1 – Funcionamento .......................................................................... 82.2 – Tipos de células a combustível ................................................. 132.2.1 – Célula de combustível com membrana de troca de prótons(Proton exchange fuel cell) – PEMFC ………………………….. 132.2.2 – Célula de combustível de óxido sólido de alta temperatura(Solid Oxide Fuel Cell) – SOFC ………………………………... 152.2.3 – Célula de combustível de alta temperatura(Molten Carbonate Fuel Cell) – MCFC ..................................... 172.2.4 – Célula de combustível alcalina – AFC .................................... 182.2.5 – Célula de combustível de ácido fosfórico – PAFC .................. 193 – Aplicações da célula a combustível .......................................... 204 – Vantagens da célula a combustível ........................................... 214.1 – Benefícios ambientais ................................................................ 225 – Conclusão .................................................................................... 246 – Referências bibliográficas .......................................................... 25

1 – INTRODUÇÃO1.1 – DefiniçãoUma célula a combustível é uma célula eletroquímica, basicamenteuma bateria 1 , que converte uma fonte de combustível em uma corrente elétrica.Há geração de eletricidade dentro da célula através de reações entre umcombustível e um oxidante 2 , desencadeada na presença de um eletrólito 3 . Ascélulas a combustível podem operar de maneira praticamente contínua,enquanto os fluxos necessários sejam mantidos.As células a combustível são diferentes das baterias eletroquímicasconvencionais, pois as células consomem reagentes de uma fonte externa edeve ser reabastecido, sendo assim chamado de um sistematermodinamicamente aberto. Em contrapartida, as baterias armazenam energiaelétrica quimicamente e, portanto, representam um sistematermodinamicamente fechado.Muitas combinações de combustíveis e oxidantes são possíveis. Umacélula combustível de hidrogênio utiliza hidrogênio como combustível eoxigênio (geralmente o do ar) como oxidante. Outros combustíveis incluemhidrocarbonetos e alcoóis e os oxidantes incluem cloro e dióxido de cloro.1.2 – ObjetivoDescrever o que é uma célula a combustível, qual o seu histórico efuncionamento, além de suas principais aplicações.1 Bateria é um dispositivo que armazena energia química e a torna disponível na forma deenergia elétrica. Baterias consistem de dispositivos eletroquímicos tais como uma ou maiscélulas galvânicas, células combustíveis ou células de fluxos.2 Oxidante é a espécie reagente que sofre redução (ganha elétrons). Ao ganhar elétrons, estaespécie promove a perda de elétrons (oxidação) de outra espécie, agindo assim, como umagente oxidante.3 Eletrólito é toda a substância que, dissociada ou ionizada, origina íons positivos ( cations ) eíons negativos ( ânions ), pela adição de um solvente ou aquecimento. Desta forma torna-seum condutor de eletricidade.

1.3 – HistóricoApesar da alta tecnologia empregada para o seu funcionamento, ascélulas a combustível são conhecidas pela ciência há mais de 150 anos.Embora, as células a combustível tenham sido consideradas uma grandecuriosidade do século XIX, elas foram alvos de intensas pesquisasprincipalmente durante a Segunda Guerra Mundial.A primeira célula de combustível foi construída em 1801 por HumphreyDavy, que realizou estudos em eletroquímica usando carbono e ácido nítrico.Mas o advogado e cientista inglês, William Grove (1811–1896), que foiconsiderado o precursor das células a combustível. A “Célula de Grove”, comoera chamada, usava um eletrodo de platina imerso em ácido nítrico e umeletrodo de zinco imerso em sulfato de zinco para gerar uma corrente de 12amperes e uma tensão de 1,8 volts.Grove descobriu que colocando dois eletrodos de platina com cadalado de cada eletrodo imerso num tubo contendo ácido sulfúrico diluído, e osoutros dois lados separadamente conectados em tubos fechados com oxigênioe hidrogênio, uma corrente contínua circularia entre os eletrodos. Os tubosisolados e fechados produziam água e também gases, e ele notou que o nívelde água aumentou em ambos os tubos onde a corrente elétrica passou.Em seguida, Grove construiu uma fonte de energia usando vinte e seiscélulas em série e foi o primeiro a notar e explicitar a dificuldade de produziraltas densidades de corrente elétrica em uma pilha a combustível (váriascélulas a combustível conectadas em série), que utiliza gases como reagentes.O problema que enfrentou na época ainda está sendo estudado atualmente porpesquisadores da área. O seu empenho neste problema é demonstrado pelaseguinte citação:“Como a ação química ou catalítica só poderia acontecer com umaplaca de platina comum na linha ou marca de água onde o líquido, o gás e aplatina se encontram, há dificuldade em obter um dispositivo capaz de ofereceruma superfície notável de ação”.Em 1800, os cientistas britânicos William Nicholson e Anthony Carlisledescreveram o processo de usar eletricidade para decompor a água emhidrogênio e oxigênio. Mas combinar os gases para produzir eletricidade eágua foi a grande descoberta de William Grove. Logo depois ele chamou o

trabalhou no desenvolvimento de células que poderiam ser usadas nossubmarinos da marinha inglesa, e em 1958 demonstrou uma Célula decombustível alcalina usando um dispositivo com eletrodo de 10 polegadas(25,4 cm) de diâmetro.Embora fossem extremamente caras, as células a combustível deFrancis Bacon provaram ser suficientemente confiáveis para atrair a atençãoda Pratt & Whitney. Esta empresa se uniu com a Energy Conversion, que tinhaFrancis Bacon como consultor e licenciou o trabalho dele para ser utilizado nodesenvolvimento de um sistema de geração de energia para as missõesespaciais Gemini e Apollo da Nasa. Este sistema era constituído por trêsunidades de pilhas a combustível alcalinas e operavam a pressões de 3,5 atm.Na seqüência do desenvolvimento tecnológico, a temperatura das células foiaumentada para 200 ºC, e produziam potência de 1,4 kW cada. A tensãodesenvolvida variava entre 27 e 31 volts, com uma vida útil limitada em 400horas de operação, devido principalmente à corrosão do cátodo (eletrodo).Após as missões Apollo, a construção de novas células a combustível alcalinasoperando com altas pressões, foi paralisada e tornou claro, levando em contaesse tipo de células, que sua comercialização tinha como principais obstáculoso alto custo e a pequena vida útil.Mas atualmente, as células a combustível apresentam uma evoluçãoem durabilidade, diminuição dos custos e são uma das principais soluçõesenergéticas ambientalmente amigáveis. É só uma questão de tempo para queas células a combustível estejam fazendo parte da vida das pessoas comoocorreu com os computadores pessoais.

2 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA2.1 – FuncionamentoCélulas a combustível podem ser de vários tipos, mas normalmente oseu funcionamento ocorre da mesma maneira. A célula a combustível maiscomum é aquela que utiliza a combinação química entre oxigênio e hidrogêniopara gerar energia elétrica, energia térmica (calor) e água. Além das váriastecnologias existentes para combinar esses dois elementos, existem váriasfontes de hidrogênio a serem utilizadas pelas células a combustível, tais comoa gasolina, o gás natural, o óleo diesel, o etanol (álcool), o metanol, o lixourbano e rural, a água, entre outros, onde se pode extrair e utilizar o hidrogêniopara reagir com o oxigênio do ar. Deste modo, o hidrogênio não é consideradouma fonte primária de energia já que ele é obtido através de outras fontes deenergia.As diferentes tecnologias de célula a combustível têm basicamente omesmo princípio. São compostas por dois eletrodos porosos: o ânodo (terminalnegativo) e o cátodo (terminal positivo), cada um revestido num dos lados poruma camada de catalisador de platina ou níquel, e separados por um eletrólitoque é um material impermeável que permite movimento aos íons positivos –prótons - entre os eletrodos (Algumas células utilizam eletrólitos líquidos eoutras sólidas, como as membranas plásticas de troca de prótons paraconduzirem cargas positivas), como se pode observar na Figura 1. Assim, duasreações químicas ocorrem nas interfaces dos três tipos de segmentos: anodo,catodo e eletrólito. O resultado das duas reações é com o consumo decombustível, a produção de água ou dióxido de carbono e a geração de umacorrente elétrica, que pode ser usada em dispositivos elétricos.

Figura 1 – Constituição de uma célula a combustívelO terminal negativo, o anodo, tem canais de fluxo que distribuem o gáshidrogênio pressurizado sobre a superfície do catalisador, como se podeobservar na Figura 2. No anodo que é alimentado com hidrogênio, que é ocombustível, ocorre a ionização deste por uma reação catalítica na platina ouníquel, convertendo o hidrogênio (H 2(g) ) em íons H + , como se pode observar nafigura 3.Já o terminal positivo, o catodo, é alimentado pelo oxigênio retirado doar, que é o oxidante.Tanto no catodo como no anodo, dois fatores influenciam diretamentepara aumentar a taxa de reação. O uso de catalisadores, principalmente à basede platina e uma grande área superficial no sítio reativo. Quanto maior a áreasuperficial, maior a eficiência da catálise, uma vez que esta se caracteriza porum fenômeno de superfície. A função catalítica dos eletrodos é mais importanteem células a combustível que operem em baixa temperatura e menos nas dealta temperatura porque a taxa de ionização aumenta com a temperatura. Oseletrodos porosos devem ser permeáveis aos gases, mas não ao eletrólito nocaso de células que operem com eletrólitos líquidos.

Figura 2 – Reação catalítica do hidrogênio no anodo.Quando ocorre no catalisador a reação H 2(g) 2H + + 2 e - , os elétronsnão conseguem atravessar o eletrólito, devido a capacidade deste de conduziríons e não elétrons, e então os elétrons são conduzidos através do anodo atéatingirem o circuito externo gerando assim uma corrente elétrica e podendo,por exemplo, funcionar uma lâmpada ou motor elétrico, indo assim em direçãoao cátodo, como se pode observar na Figura 3.Figura 3 – Ions H + passando pelo eletrolito e corrente eletrica exterior.

O catodo é alimentado pelo oxigênio, o oxidante, retirado do ar, queentra na célula a combustível e é forçado a se dispersar no catalisador, já queeste catalisa os processos de oxidação e redução necessários aofuncionamento da célula a combustível. O catalisador separa a molécula deoxigênio (O 2(g) ) em dois átomos de oxigênio. Estes atraem os íons H + quepassam pelo eletrólito e através da reação química, que utiliza de elétronsoriundos do circuito externo: O 2(g) + 4H + + 4e - 2H 2 O, forma-se água (vapor) ecerta quantidade de calor (reação exotérmica) é liberada, como se podeobservar na Figura 4.Figura 4 – Reação entre hidrogênio e oxigênio no catodo.O vapor quente pode ser utilizado para aquecimento, ou ser integradoà uma turbina a vapor para gerar mais eletricidade. Pode também ser utilizadopara gerar hidrogênio novamente através da eletrólise (quebra da molécula deágua em hidrogênio e oxigênio) utilizando um painel solar, por exemplo, célulasa combustíveis regenerativas.Muitas vezes o hidrogênio utilizado pela célula a combustível não estána sua forma mais pura, H 2 . Ele está misturado a outros elementos presentesnum combustível, tal como o gás natural, a gasolina e o álcool (etanol), e temque ser retirado, podendo assim liberar dióxido de carbono. Para extrair ohidrogênio é utilizado um reformador.

Em algumas tecnologias de células a combustível, devido à altatemperatura de operação, entre 600°C e 1000°C, a reforma do combustível éfeita internamente. Já em outras tecnologias, que atuam em temperaturas maisbaixas, é necessário um reformador, o que implica em custos adicionais.As características mais importantes de uma célula de combustível são: A substância utilizada no eletrólito, definindo assim o tipo decélula. O combustível que será usado. O mais comum é o hidrogênio. O catalisador do anodo que separa o combustível em íons eelétrons, normalmente feito a partir de pós de platina. O catalisador do catodo que faz a reação produzindo água oudióxido de carbono, normalmente feito de níquel.Uma típica célula de combustível produz tensões entre 0,6 V e 0,7 Vquando está completamente carregada, significando que para produzir níveisuteis de potência elétrica devem-se associar diversas células a combustível emsérie. Esta tensão e a corrente podem cair devido: Perda de ativação; Perda ôhmica devido a resistência elétrica dos componentes dacélula; Perda no transporte de massa, devido a queda da quantidade dereagentes no catalisador.As células a combustível são interligadas entre si por pratos bipolares,como mostrados na Figura 5. Estes pratos devem ser bons condutores deeletricidade, e ter canais ao longo da sua superfície, de maneira a possibilitar oescoamento do combustível no ânodo e do ar ou oxigênio no cátodo. Aomesmo tempo, estes devem permitir um bom contato elétrico com os eletrodos,ser o menos espesso possível e de fabrico barato. Um requisito adicional é ode evitar as fugas de reagentes.

Figura 5 – Pratos bipolares das celulas a combustível.2.2 – Tipos de células a combustível2.2.1 – Célula de combustível com membrana de troca de prótons(Proton exchange fuel cell) – PEMFCNesta célula de combustível, há uma membrana polimérica, (polímeroácido sulfônico fluorizado ou outro polímero similar), o eletrólito, que conduzprótons, separando os lados entre anodo e catodo. Até a década de 1970, esteeletrólito era chamado de “solid polymer eletrolyte fuel cell”, até este tipo decélula de combustível ser bem estudada.No lado do anodo, o hidrogênio é difundido no catalisador que ioniza ohidrogênio em prótons e elétrons. Esses prótons (H + ), normalmente, sãoconduzidos pela membrana para o catodo, mas os elétrons são forçados a irempelo circuito externo, dissipando energia, pois a membrana é um isolanteelétrico, não permitindo a passagem de elétrons. No lado do catodo, asmoléculas de oxigênio reagem com os elétrons que percorrem o circuitoexterno e com os prótons (H + ) formando água, podendo ser liquida ou vapor,como mostra a Figura 6.

Em adição ao hidrogênio puro, há combustíveis de hidrocarbonetospara as células a combustível, como diesel, metanol e hidretos químicos. Osprodutos das reações são normalmente água e dióxido de carbono.Devido às limitações apresentadas em relação à temperatura, impostaspelo polímero da membrana e pela necessária da hidratação da membrana,esta célula funciona para temperaturas, usualmente, inferiores a 100º C. Asvelocidades de reação são reduzidas, então se utiliza de catalisadores deplatina, por ter menor custo e elétrodos sofisticados.As vantagens da tecnologia PEMFC são: eficiência em torno de 55%;alta densidade de energia; pouco peso e pequeno volume; eletrólito imóvel(membrana) simplifica a selagem no processo de produção, reduz a corrosão epossui maior vida útil; maior resistência aos choques e vibrações em função doeletrólito sólido; capacidade de seguir as vibrações de carga.As desvantagens da PEMFC é a necessidade da utilização de platinacomo catalisador da reação eletroquímica. Em temperaturas abaixo de 150ºC,a reação promovida pela platina libera monóxido de carbono (CO).Figura 6 – Funcionamento PEMFCReação Anodo: 2H 2(g) 4H + + 4e -Reação Catodo: O 2(g) + 4H + + 4e - 2H 2 OReação Global: 2H 2(g) + ½ O 2(g) 2H 2 O

Construção de uma PEMFC de temperatura elevada (Figura 7): Placabipolar como eletrodo com estrutura curva em canal de gás, fabricados a partirde plásticos condutores (reforçado com nanotubos de carbono para mais decondutividade); papéis carbono poroso; camada reativa, geralmente namembrana de polímero aplicada; membrana polimérica.Em um eletrodo de membrana típica de montagem (MEA), as placas deeletrodo bipolar são geralmente feitos de metal, níquel ou nanotubos decarbono, e são revestidos com um catalisador (como a platina, pós de ferro oupaládio) para maior eficiência. O papel carbono, por exemplo, separá-los doeletrólito. O eletrólito pode ser de cerâmica ou de uma membrana.Figura 7 – Célula a combustível PEMFC2.2.2 – Célula de combustível de óxido sólido de alta temperatura(Solid Oxide Fuel Cell) – SOFCA célula de combustível SOFC é muito vantajosa devido à possibilidadeda utilização de larga variedade de combustíveis. A maioria das células decombustíveis utiliza o hidrogênio como combustível, já a SOFC podemfuncionar com hidrogênio, butano, metanol e outros derivados do petróleo. Paracada tipo de combustível, há um conjunto de anodo, catodo e eletrólito distinto.Para as células a combustível de metanol, do lado do ânodo, umcatalisador quebra de metanol e água para formar dióxido de carbono, íons dehidrogênio e elétrons livres, como se pode observar na Figura 8. Os íons dehidrogênio se movem através do eletrólito para o lado do cátodo, onde reagemcom o oxigênio para criar água. A carga conectada externamente entre oanodo e o catodo completa o circuito elétrico. Abaixo estão as equaçõesquímicas para a reação:

Reação Anodo: CH 3 OH (l) + H 2 O (l) + CO 2(g) + 6H + + 6e -Reação Catodo: 3/2 O 2(g) + 6H + + 6e - 3H 2 OReação Global: CH 3 OH (l) + 3/2 O 2(g) 2H 2 O + CO 2(g)Figura 8 – Funcionamento SOFCNo anodo pode usar níquel ou outros catalisadores para quebrar ometanol e criar íons de hidrogênio e de CO 2 . A ítria sólida chamada de zircôniaestabilizada – ZrO 2 – (YSZ) é usada como eletrólito. Como todas as células acombustível, o eletrólito de YSZ é condutor de íons, permitindo-lhes passar doanodo para o catodo, mas não é condutor de elétrons. A ítria é um sólido,durável e é vantajoso em grandes sistemas industriais. Embora YSZ seja umbom condutor de íons, só funciona a temperaturas muito elevadas. Atemperatura de operação padrão é de cerca de 950ºC. Executando a célula decombustível a uma temperatura tão alta, facilmente quebra-se o metano eoxigênio em íons. A grande desvantagem da SOFC, como resultado da altatemperatura, é que impõe restrições consideráveis sobre os materiais quepodem ser usados para interconexões. Outra desvantagem em umatemperatura tão alta é que outras reações indesejáveis podem ocorrer nointerior da célula de combustível. É comum que o pó de carvão ou grafiteutilizado para construir no anodo impeça que o combustível atinja o catalisador.Muitas pesquisas estão sendo feitas para encontrar alternativas para a ítriaconduzir íons a uma temperatura inferior

2.2.3 – Célula de combustível de alta temperatura – (MoltenCarbonate Fuel Cell) – MCFCAs células a combustível MCFC operam de modo similar as célulasSOFC exceto pelo eletrólito que neste caso é de carbonato liquido (molten =fundido) que é um íon negativo e um agente oxidante.Devido o eletrólito perder carbonato na reação de oxidação, este deveser alimentado através de alguns meios. Isso é muitas vezes realizada pormeio de recirculação do dióxido de carbono a partir de produtos de oxidaçãopara o catodo, onde reage com o ar que entra e reformas de carbonato, comose pode ver na figura 9.Ao contrário das células a combustível de troca de prótons, oscatalisadores não são intoxicados por monóxido de carbono, devido atemperaturas mais elevadas. Porque a reação de oxidação ocorre no ânodo, autilização direta do monóxido de carbono é possível. Além disso, o vaporproduzido pela reação de oxidação pode mudar de monóxido de carbono evapor de hidrocarbonetos combustíveis reforma no interior do ânodo. Essasreações podem usar os mesmos catalisadores utilizados para a reaçãoeletroquímica, eliminando a necessidade de um reformador de combustívelexterno. A MCFC pode ser usada para reduzir as emissões de CO 2 a partir decentrais elétricas a carvão, bem como instalações de turbinas de gás.Figura 9 – Funcionamento MCFCReação Anodo: H 2(g) + CO 32-(aq) H 2 O (g) + CO 2(g) + 2e -Reação Catodo: ½ O 2(g) + CO 2(g) + 2e - CO 32-(aq)Reação Global: H 2(g) + ½ O 2(g) H 2 O (g)

2.2.4 – Célula de combustível alcalina – AFCA célula de combustível alcalina (AFC), também conhecida como célulade combustível Bacon devido ao seu inventor britânico, é uma das tecnologiasde células a combustível a mais desenvolvidas. Foi a célula utilizada na viagema lua, pelas missões Apolo. A NASA tem utilizado as células a combustívelalcalinas desde meados dos anos 1960, em missões Apollo. Também, as AFCconsumem hidrogênio e oxigênio puro produção de água potável, calor eeletricidade. Eles estão entre as células a combustível mais eficientes, compotencial para atingir 70%.Os dois eletrodos são separados por uma matriz porosa saturada comuma solução aquosa alcalina, como hidróxido de potássio (KOH). As soluçõesaquosas alcalinas não rejeitam o dióxido de carbono (CO 2 ) para a célula decombustível e esta pode se danificar quando há a conversão de KOH emcarbonato de potássio (K 2 CO 3 ). Devido a isso, as células a combustívelalcalinas funcionam normalmente em oxigênio puro, ou pelo menos arpurificado e incorporam um purificador no projeto para retirar o máximo dedióxido de carbono possível. A geração e armazenamento de oxigênio purostornam as AFC caros e há poucas empresas envolvidas no desenvolvimentoativo da tecnologia. Há, no entanto, algum debate na comunidade científicasobre se a danificação é permanente ou reversível. Os principais mecanismosde danificação são o bloqueio dos poros do catodo com K 2 CO 3 , que não éreversível, e redução da condutividade iônica do eletrólito, que pode serreversível, retornando o KOH à sua concentração original.Reação Anodo: H 2(g) +2OH - (aq) 2H 2 O (l) + 2e -Reação Catodo: ½ O 2(g) + H 2 O (l) + 2e - 2OH - (aq)Reação Global: H 2(g) + ½ O 2(g) H 2 O (l)Figura 9 – Funcionamento AFC

2.2.5 – Célula de combustível de ácido fosfórico – PAFCCélulas a combustível de ácido fosfórico (PAFC) são um tipo de célulade combustível que utiliza o ácido fosfórico como eletrólito líquido (Figura 11).Os eletrodos são feitos de papel carbono revestidos com uma fina camada decatalisador de platina, que os tornam caros para fabricar. Eles não sãoafetados por impurezas de monóxido de carbono na corrente de hidrogênio. Oácido fosfórico solidifica a uma temperatura de 40 °C, tornando difícil ainicialização e a contenção do acido fosfórico em solução para operaçãocontínua. No entanto, em uma faixa operacional de 150 a 200 ° C, a águaproduzida em forma de vapor é aquecida e pode ser usada em váriasaplicações. Células a combustível de ácido fosfórico têm sido utilizados paraaplicações fixas com uma produção combinada de calor e eficiência de energiade cerca de 80%, e eles continuam a dominar o mercado de células acombustível estacionárias.Figura 11 – Funcionamento PAFCReação Anodo: H 2(g) 2H + + 2e -Reação Catodo: ½ O 2(g) + 2H + + 2e - H 2 O (l)Reação Global: H 2(g) + ½ O 2(g) H 2 O (l)

A Tabela 1 resume os tipos de células citados acima:3 – Aplicações da célula a combustívelAs células a combustível são muito utilizadas na geração de energiaem lugares remotos como estações espaciais, estações climáticas, grandesparques, zonas rurais e em certas aplicações militares. Um sistema de célulasa combustível pode funcionar com hidrogênio que pode ser comprimido e tembaixa massa e a célula não tem partes móveis. Pelo fato de que essas célulasnão têm partes móveis e não necessitam de combustão para funcionarem, emcondições ideais tem-se uma confiabilidade de 99%.Pelo fato, também, de que o estoque de combustível que alimenta acélula a combustível não se localiza no interior desta, pode-se armazenarcombustível em grande quantidade o que facilita, por exemplo, em áreas rurais.Uma das aplicações mais difundidas das células a combustívelinclusive que já esta tanto no mercado como em novas pesquisas é a suautilização em veículos, como carros, ônibus e vans. O funcionamento de umacélula a combustível, em um automóvel pode ser observada na Figura 12:

Figura 12 – Configuração dos componentes em uma célula acombustível veicular.4 – Vantagens da célula a combustívelA tecnologia célula a combustível tem sido reconhecida como umaforma limpa de produzir eletricidade com alta eficiência energética em diversasaplicações, desde a portátil até em geração distribuída. Não importando a suaaplicação, elas oferecem um número importante de benefícios para usuáriosindividuais, companhias de energia e a sociedade em geral.Pelo fato de produzirem energia sem combustão e sem partesmóveis, as células a combustível são, em média, até 25% mais eficientesque os motores a combustão interna, reduzindo a emissão de poluentes etambém de dióxido de carbono na atmosfera.Mesmo quando o hidrogênio é obtido a partir de fontes fósseis comoo petróleo e o gás natural, a emissão de dióxido de carbono (CO2) cai de 25a 50%, e a fumaça produzida quando comparada com equipamentostradicionais como os geradores a diesel, diminui em 99%.Na busca de um melhor aproveitamento dos benefíciosproporcionados pelas células a combustível, as fontes de energia renováveissão um ponto crucial para aproveitar integralmente os benefícios destatecnologia, pois durante o crescimento destes, como a cana-de-açúcar,

ocorre o seqüestro de carbono presente na atmosfera (CO2), além deliberarem o oxigênio.Como as previsões das reservas de petróleo estão estimadas paramais 40 a 50 anos, uma forma de se aumentar este tempo é utilizandoequipamentos eficientes – como as células a combustível - que produzam amesma quantidade de energia, mas utilizando menos petróleo.O Departamento de Energia dos EUA estima que se somente 10%dos automóveis do seu país utilizassem células a combustível, a emissãoregular de poluentes diminuiria em 1 milhão de toneladas por ano, além dediminuir em 60 milhões de toneladas o dióxido de carbono emitido para aatmosfera, e também diminuir a importação de 800.000 barris de petróleopor ano (13% do total de importação de petróleo dos EUA).4.1 – Benefícios ambientaisMinimiza nossa dependência em produtos do petróleo paraproduzir energia:Petróleo, gás natural e carvão são um dos tipos de combustíveisfósseis que têm certas desvantagens. O petróleo é uma fonte limitada, o gásnatural é difícil de transportar, e o carvão é extremamente agressivo ao meioambiente. As células a combustível poderão satisfazer nossa demanda porenergia ao mesmo tempo em que as reservas de combustíveis fósseisdiminuam. Para isso, devem-se utilizar fontes renováveis de energia, como acana-de-açúcar e outras fontes de biomassa, pois durante o seucrescimento, ocorre o seqüestro de carbono da atmosfera.Emite menos gases causadores do efeito estufa:A maior parte das células a combustível emitem oxigênio e águacomo seus subprodutos. Imaginem dentro de alguns anos que a maior parteda frota de automóveis emita somente estes componentes ao invés demonóxido de carbono, dióxido de carbono e outros gases nocivos, além dafumaça. Embora algumas Células a combustível emitam dióxido de carbono,a emissão é em pequenas quantidades.

Mais eficiência na geração da energia e no consumo da fonte deenergia:Atualmente, os motores a combustão interna mais eficientes atingemeficiência de 25 a 30%. Em média, varia de 13 a 20%. As plantas maiseficientes de geração de energia têm eficiência de 33 a 35%. As células acombustível mais usuais e maduras no momento, as de ácido fosfórico(PAFC) e as que utilizam metanol (DMFC), têm eficiência de 40%.Entretanto, quando é utilizado num sistema de cogeração (em que seaproveita o calor rejeitado para gerar mais energia), as células de ácidofosfórico podem obter eficiência de 85%. Outras tecnologias de Células acombustível têm suas eficiências variando desde 40% até 85%. De ummodo geral, todas as células a combustível têm eficiência maior que osmotores a combustão e plantas de geração.Redução de Baterias nos Aterros SanitáriosAs micro células a combustível são potenciais substitutos da maioriadas baterias recarregáveis usadas hoje em dia em muitos tipos deequipamentos eletrônicos. Além dos benefícios em desempenho que ascélulas já oferecem, embora em protótipos pouco práticos, elas tambémpodem reduzir potencialmente uma vasta quantidade de baterias jogadasnos lixos e que vão parar nos grandes lixões das cidades, os aterrossanitários. A contaminação por parte das baterias pode prejudicar os lençóisfreáticos, fonte de água potável, algo muito raro nos dias de hoje.A cada ano, bilhões de baterias são compradas, usadas, e jogadasfora no Brasil e em todo o mundo, principalmente nos EUA. Somente em1998, mais de 3 bilhões de baterias industriais e de uso doméstico foramvendidas. A cada ano, a demanda por baterias cresce de 5 a 6%, devido aocrescimento na venda de telefones celulares, câmeras de vídeo,computadores portáteis, ferramentas que utilizam baterias e brinquedos.As baterias são uma fonte potencial de lixo contaminante, sendoresponsável por 20% do lixo tóxico gerado nos EUA por residências eempresas. Praticamente todas as baterias recarregáveis usadas em laptopse outros equipamentos portáteis são de níquel-cádmio. O vazamento de

metais pesados no solo como o cádmio e o níquel, e na água de rios é umproblema de grande preocupação.As células a combustível têm uma expectativa de vida muito superiorquando comparadas com as baterias recarregáveis w são construídas commateriais menos nocivos. Desta forma, com o aumento do uso de células acombustível em micro-aplicações, espera-se que diminua a contaminaçãode metais pesados nos aterros sanitários.5 – ConclusãoAs células a combustível representam uma alternativa eficiente para aconversão de energia no futuro. Num pequeno período de tempo, um grandenúmero de organizações e empresas assumiu o desafio de iniciarem acomercialização de células a combustível. Muitos aspectos importantes ligadosà tecnologia das células a combustível foram discutidos, embora muitas outrasáreas como, por exemplo, catálise, fabricação industrial e controle,representam desafios adicionais à espera de serem compreendidos esolucionados.Na qualidade de tecnologia alvo de interesse recente, as células acombustível apresentam um elevado potencial de desenvolvimento. Emcontraste, as tecnologia competidoras das células a combustível, incluindoturbinas de gás e motores de combustão interna, já atingiram um estadoavançado de desenvolvimento. Para este tipo de tecnologias são esperadas nofuturo pequenas melhorias, envolvendo obrigatoriamente um aumento decustos e de temperaturas de funcionamento.No entanto, para as células a combustível ainda existem diversosproblemas importantes por resolver de maneira a lançar a tecnologia nocomercio em larga escala. No dia a dia surgem novos desenvolvimentos como,por exemplo, novas membranas de permuta protônica, melhores catalisadores,melhores desenhos das células e novos modos de funcionamento dinâmicos.Atualmente, diversas soluções possíveis para os problemas das células acombustível estão a ser investigadas e desenvolvidas.

6 – Referências bibliográficas• Nóbrega, S.D., Vasconcelos, C.S.A., Lima, L.G.P.A. Avaliação dodesempenho de uma célula a combustível com anodo de NiO-YSZ operandocom gás natural. WiCaC, 2008.• Franchi, T.P., Júnior, A.F.B. Utilização de células a combustível tipoPEM como alternativa na geração auxiliar em instalações elétricas de grandeporte. XIII ERIAC, 2009.• Fukurozaki, S.H., Seo, E.S.M. Recuperação de catalisadores de platinada célula a combustível de membrana polimérica trocadora de prótons. 17ºCBECIMat, 2006.• Brandão, M.O. Termodinâmica e simulação de sistemas de células acombustível, potencial gerador elétrico para aplicações estacionárias eautomotivas. Programa de Engenharia Mecânica COPPE/UFRJ.• http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell• http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_combust%C3%ADvel• http://celulasdecombustivel.planetaclix.pt/tipos.html#cca• http://celulasdecombustivel.planetaclix.pt/comofuncionam.html• http://www.ambientebrasil.com.br/composer.php3?base=./energia/index.html&conteudo=./energia/celulacombustivel.html