Células de hidrogênio combustível

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As células do tipo PEMFC possuem um eletrocatalisador, um cátodo, um ânodo e uma membrana polimérica entre os eletrodos, para possibilitar a passagem dos cátions, além de resistir a passagem de corrente elétrica, assim, os elétrons migram pelo circuito externo, e não pela membrana, não havendo curto-circuito na célula.

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Figura 1: Esquema de célula a combustível hidrogênio/oxigênio. Fonte: VILLULLAS et al., 2002.

No ânodo, os elétrons são liberados das moléculas de hidrogênio para o circuito externo, que dispersa o hidrogênio sobre o catalisador. No cátodo, o oxigênio é dispersado para a superfície do catalisador caminhando entre os elétrons. A membrana possui função de eletrólito que conduz especificamente os íons positivos, bloqueando os elétrons, sendo, geralmente, produzido a partir de um metal inerte, como a platina, em sua forma de pó.

A célula irá funcionar a medida que combustível é adicionado no lado do ânodo, assim, esse combustível entra em contato com o catalisador e a molécula de H2 é dissociada em dois prótons e dois elétrons, em uma reação exotérmica. A molécula de O2 se dissocia em dois íons negativos, que interage, cada um, com dois hidrogênios para formar água.

Reação que ocorre no ânodo

2H2 → 4H+ + 4e-

Reação que ocorre no cátodo

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

ELETRÓLISE

Segundo Bianchi (2005), a eletrólise é um processo que separa dois elementos químicos de um composto mediante uso da eletricidade, com a decomposição dos compostos em íons, seguida da passagem de uma corrente contínua para obtenção de elementos químicos. Em alguns casos, além dos elementos químicos, há a formação de novos compostos. A eletrólise é um processo de oxirredução não espontâneo, pois necessita de energia para que ocorra.

Tipos de eletrólise

Eletrólise-ígnea

Eletrólise realizada em um célula, ou cuba, eletrolítica, que suporte altas temperaturas, pois o ponto de difusão das substâncias iônicas normalmente é muito alto.

Eletrólise em meio aquoso

Quando há a liberação de íons em meio aquoso, por uma determinada substância. Assim, obtém-se um sistema formado pelos íons da substância e da auto ionização da água (BIANCHI, 2005).

Eletrólise alcalina da água

Processo no qual pode-se obter hidrogênio a partir da água e eletricidade. Com a aplicação de uma diferença de potencial entre os eletrodos (cátodo e ânodo) e com a existência entre eles de um meio condutor iônico líquido (solução aquosa ácida ou básica) ou sólido (membranas poliméricas ou cerâmicas permiônicas), esta decomposição é realizada através do fornecimento de corrente contínua por uma fonte de energia elétrica. Quando se aplica a força eletromotriz acima de um determinado potencial mínimo, há passagem de corrente entre os eletrodos, produzindo as reações eletrolíticas para evolução de hidrogênio no cátodo (redução) e oxigênio no ânodo (oxidação) (FURLAN, 2012).

Reação no cátodo

2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2OH-

Reação no ânodo

2OH –(aq) – 2e- → ¹/2 O2(g) + H2O(l)

Total

H2O(l) → H2(g) + ¹/2 O2(g) ∆H° = +286kJ/mol

APLICAÇÃO ESCOLHIDA

A aplicação escolhida foi realizada por Conelheiro e Luciano (2012), em um trabalho publicado na VI Mostra Interna de Trabalhos de Iniciação Científica, intitulado “Desenvolvimento de um sistema gerador de hidrogênio gasoso para utilização como combustível alternativo em veículos automotores”.

Neste trabalho, os autores utilizaram de testes laboratoriais com diferentes formas de produção de hidrogênio gasoso através da eletrólise, visando a melhor forma de aproveitar seu rendimento energético e controlar sua produção por meio de um circuito eletrônico.

METODOLOGIA

Foram testados dois tipos de células geradoras de hidrogênio.

O primeiro modelo pôde ser fabricado de duas maneiras diferentes. Na primeira, foi utilizado 40 cm de cano de PVC de 4” e 20 placas de 35x10 cm de aço inox 310. Foi utilizado um reservatório de PVC, onde era realizada a eletrólise para produção de hidrogênio, utilizando a água, proveniente de uma torneira, e bicarbonato de sódio com sal, produzindo hidrogênio com o consumo de corrente elétrica de 140A, que é muito alto. A temperatura atingida pela água foi próxima do ponto de ebulição, assim, o PVC foi deformado. Para contornar o problema, uma nova célula foi feita utilizando vidro temperado no lugar do PCV. O vidro não deformou, porém, o alto consumo de corrente e alta temperatura permaneceram, gerando vapores indesejáveis para o projeto.

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Figura 2: Exemplo de célula fabricada em PVC.

O segundo modelo, representado na figura 3, foi fabricado em acrílico, em dois reservatórios de água de veículos, aço inox 316. Em um reservatório era depositada a água destilada, juntamente com o hidróxido de potássio, que serviria também para a expansão dos gases. O outro reservatório era uma espécie de borbulhador preenchido com água destilada, o gás passava pela água para tentar capturar as partículas pesadas que acompanhassem os gases, a eletrólise acontecia em uma terceira parte, fabricada de acrílico e inox 316.

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Figura 3: Conjunto de célula do segundo modelo.

Nesse modelo o consumo de energia foi bem menor, chegando a 20ª, com uma temperatura de 27 °C. O modelo de inox trabalhou por 720 horas sem degradação.

Resultados apresentados pelos autores

“No primeiro modelo se enchia uma seringa de 20 ml em 10 segundos, no segundo modelo a mesma seringa foi cheia em 4 segundos, lembrando que esta medição foi feita após 30 segundos de funcionamento