CÉLULA COMBUSTIVEL A HIDROGENIO VOLTADA PARA ECONOMIA DE ENERGIA ELÉTRICA RESIDENCIAL

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Uma solução para esta continua busca pode ser a célula a combustível, que pode ser caracterizada como um dispositivo gerador de energia elétrica através de reação eletroquímica entre um combustível e um oxidante. Tem-se disponíveis atualmente varias tecnologias de células a combustível e cada uma com grandes avanços recentes em suas pesquisas e desenvolvimento. Historicamente, as células a combustível tem sido utilizadas desde meados da década de 1960 em aplicações de grande importância como fonte de obtenção de energia elétrica a partir de hidrogênio e oxigênio, como no programa aeroespacial norte americano, no entanto nestes últimos anos tem ganhado força ainda maior devido à notoriedade dos problemas ambientais provindos das gerações atuais de energia elétrica e da escassez de combustível de algumas destas.

CONHECENDO A CÉLULA A COMBUSTÍVEL

As células a combustível são dispositivos eletroquímicos que convertem a energia química em seus combustíveis diretamente em energia elétrica provendo uma promissora geração de energia com alta eficiência e baixo impacto ambiental (EG&G, 2004).

Como dito por Pinto (2014), as células a combustível servem como motor de um sistema que é abastecido pelo combustível em analogia ao processo de geração de energia pelos motores a gasolina. No entanto, no processo adotado pelas células a combustível, estas convertem a energia química diretamente em energia elétrica, termina (calor) e água num processo que não contem combustão mesmo seus combustíveis podendo ser hidrogênio, gás natural, etanol, metanol, entre outros.

As células a combustível têm funcionamento similar ao de baterias normais, por fornecer eletricidade em corrente continua a partir de uma reação química. Entretanto, as baterias

quando chegam ao fim, precisam ser recarregadas já as células a combustível fornecem energia elétrica de maneira continua e indefinidamente enquanto abastecidas por um combustível (CGEE, 2002).

Inicia-se então um estudo mais aprofundado sobre o funcionamento da célula a combustível. Para que a célula converta a energia química em elétrica, é necessário a presença continua de redutores e oxidantes e usualmente, devido à grande presença e facilidade de obtenção, os combustíveis mais utilizados vem sendo o hidrogênio como redutor e o ar ambiente como oxidante (EG&G, 2004). A figura 1 ilustra uma célula a combustível.

Figura 1 – Célula a combustível de hidrogênio

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Fonte: Rios (2012, p.09)

Pode-se resumir a construção da célula a combustível como pequenos blocos compostos por uma camada de eletrólito revestido de um ânodo e um catado do outro lado. O hidrogênio se oxida no anodo produzindo elétrons e prótons enquanto o oxigênio sofre redução do catodo. O próton se locomove através do eletrólito na direção do catodo enquanto os elétrons circulam por um circuito externo na direção do catodo. A Figura 2 descreve o funcionamento da célula a combustível e a reação química que nela ocorre.

Figura 2 – Funcionamento de uma célula a combustível

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Fonte: Pinto (2014, p.112)

TIPOS DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL

De acordo com Matos (2009) as células a combustíveis são classificadas de acordo com o tipo do eletrólito e a temperatura sob a qual operam. Dos modelos mais utilizados nas aplicações comerciais, estão: CCAF (Célula a Combustível de Ácido Fosfórico), CCA (Célula a Combustível Alcalina), CCCF (Célula a Combustível de Carbonato Fundido), CCOS (Célula a Combustível de Oxido Solido) e CCMTP (Célula a Combustível de Membrana de Troca de Prótons).

A célula a combustível tipo CCAF utiliza ácido fosfórico concentrado em 100% para realizar a eletrólise numa temperatura de 160°C a 220ºC. Seguindo a linha das alcalinas, a CCA é uma das mais eficientes, chegando a ser utilizada em programas espaciais. A CCA opera na faixa de temperatura e 65°C a 220ºC e utiliza hidróxido de potássio como eletrólito. Em sequência, temos a CCCF que opera na temperatura de 600ºC ou mais, devido ao carbonato alcalino em matriz cerâmica, utilizando como eletrólito LiAlO2 (Aluminato de Lítio). Ainda na linha de células a combustível compostas por cerâmica, temos a CCOS que opera na faixa de temperatura de 600°C a 1000ºC utilizando como eletrólito a Perovskita, um mineral relativamente raro, como disse Almeida (2011). Por último, temos a CCMTP com temperatura variando entre 60°C a 80ºC e com uma membrana polimérica de troca de prótons como eletrólito (Brito, 2009). Devido a simplicidade do funcionamento das células a combustível de membrana de troca de prontos e sua baixa temperatura de operação, esta foi adotada no projeto deste trabalho. A tabela 1 mostra os tipos de células a combustível.

Tabela 1 –Características das células a combustível.

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Fonte: Pinto( 2014, p.115, Traduzida pelo autor)

CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE MEMBRANA DE TROCA DE PROTONS

Conforme afirma EG&G (2004), as células a combustível de membrana polimérica de troca de prótons (CCMTP) são atrativas comercialmente falando por serem capazes de gerar grandes quantidades de energia mesmo em pequenas aplicações, até mesmo móveis e portáteis. Pelo fato de seu eletrólito ser uma sólida camada de polímero, a montagem, vedação e manuseio desta célula se torna muito menos complexa do que as demais células. Sua, relativa, baixa temperatura de operação, 60°C a 80ºC, permitem uma rápida inicialização do sistema, começando a gerar eletricidade logo após ser ligada. No entanto, esta mesma faixa de operação faz com que o hidrogênio utilizado como combustível tenha que ser o mais puro possível para obtenção de melhores coeficientes de rendimento.

As células a combustível têm como característica a capacidade de empilhamento. Assim como em pilhas, podem ser associadas várias pequenas células a fim de formar uma unidade geradora maior. Cada simples unidade de célula combustível CCMTP é composta de dos seguintes elementos:

- Membrana de troca de íons;

- Camada porosa eletricamente condutora;

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