CÉLULAS A COMBUSTÍVEL: UTILIZAÇÃO DE HIDROGÊNIO COMO FONTE DE ENERGIA

CÉLULAS A COMBUSTÍVEL: UTILIZAÇÃO DE HIDROGÊNIO COMO FONTE DE ENERGIA

RESUMO

OBJETIVOS

Analisar e descrever o funcionamento de células a combustível que utilizam como fonte de energia o Hidrogênio, verificando a viabilidade da utilização deste elemento. Além disso, identificar as vantagens e desvantagens da implementação das Células a Combustível, com base em suas vantagens e desvantagens, aplicações e impactos sociais e econômicos.

INTRODUÇÃO

Desde o advento da Revolução Industrial, a energia elétrica se tornou essencial para as diversas atividades realizadas no mundo moderno, desde afazeres domésticos à manutenção e funcionamento do transporte urbano, por exemplo, tornando-se uma das maiores conquistas da humanidade, pelas suas incontáveis utilidades e grande eficiência, tanto na geração quanto no uso. Isto se reflete diretamente na competitividade econômica entre países e na vida de seus cidadãos, que estão à mercê desse cenário energético.

Sabemos que todas as formas de utilização de energia são viabilizadas a partir do uso de recursos naturais, sejam eles renováveis ou não. Tendo em vista essa dependência energética atual e em face das crescentes preocupações com o meio ambiente – com relação ao aumento de poluição e às limitações nas reservas de combustíveis fósseis, principalmente –, torna-se inevitável a procura incessante por novas fontes de energia rentáveis, de forma que sua exploração não agrida os ecossistemas.

Dessa forma, pesquisas estão sendo realizadas com a finalidade de encontrar essa fonte de energia ideal. Dentre as pesquisas que estão acontecendo atualmente, destaca-se a que procura encontrar materiais eficientes e baratos para a confecção de células a combustível que utilizam o Hidrogênio para a obtenção de energia elétrica, uma opção há tempos conhecida, sendo desenvolvida no século XIX, mas que ainda não foi viabilizada comercialmente.

Essa tecnologia se baseia, sucintamente, em uma célula eletroquímica que converte continuamente a energia química de um combustível – no caso, o Hidrogênio – e de um oxidante em energia elétrica, através de um processo que envolve essencialmente um sistema eletrólito.

Neste artigo, será discutida justamente a viabilidade da utilização das células a combustível no cenário energético e socioeconômico atual, sobretudo quando utilizada com Hidrogênio, o chamado combustível do futuro.

A UTILIZAÇÃO DO HIDROGÊNIO COMO FONTE DE ENERGIA ELÉTRICA

OBTENÇÃO DE HIDROGÊNIO

SURGIMENTO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL

O físico britânico William Robert Grove (1811-1896) foi quem desenvolveu a primeira célula a combustível em 1839 expostas a Hidrogênio e Oxigênio, permanecendo por muitos anos como uma curiosidade de laboratório, sendo modificada e sofisticada anos depois, principalmente nos anos pós guerras durante o século XX, tendo aplicações práticas apenas na década de 1960.

Atualmente, células a combustível produzem, com segurança, energia elétrica e água suficiente para missões espaciais, sendo essencial em missões importantes, tal como Projeto Apollo (1961-1972) e Space Shuttle. 

FUNCIONAMENTO DAS CÉLULAS A COMBUSTÍVEL

Como dito, as células a combustível são sistemas eletroquímicos que convertem continuamente e eficientemente energia química em energia elétrica, de forma direta, sem a ocorrência de combustão e sem a necessidade de partes móveis, desde que lhe seja fornecido o combustível e o oxidante.

No modelo de célula a combustível aqui estudado, o combustível é o Hidrogênio e o oxidante é o Oxigênio.

Em sua configuração básica, que está representada na Figura 1 uma célula a combustível é constituída por um sistema com dois eletrodos, tendo um, carga positiva – o cátodo – e outro, carga negativa – o ânodo –, posicionados de modo que fiquem separados por um eletrólito, que possibilitará a passagem de íons no sentido de um eletrodo para outro e, ainda, de modo que o ânodo fique em contato com gás Hidrogênio e o cátodo fique em contato com gás Oxigênio. Acontece a formação de um circuito, com a realização de uma ligação elétrica entre os eletrodos e um receptor, a carga elétrica.

A partir desta configuração, na medida em que os eletrodos são supridos com os gases de combustão e oxidação – Hidrogênio e Oxigênio, respectivamente – ocorrerá uma diferença de potencial entre eles, isto é, um fluxo de elétrons no circuito, gerando energia elétrica.

Neste processo, ocorrem as seguintes reações químicas, no ânodo e no cátodo, respectivamente:

1. Ânodo: H2(g) → 2H+(aq) + 2e-

2. Cátodo: ½ O2(g) + 2H+(aq) + 2e-→ H2O(v)

Como visto acima, o processo que ocorre nas células a combustível com Hidrogênio e Oxigênio tem como resultado a liberação de elétrons e prótons H+, na reação de oxidação do Hidrogênio (1). Os elétrons produzidos são transportados através do circuito elétrico – gerando a energia –, enquanto os prótons H+ são transportados através do eletrólito, ambos passando do ânodo para o cátodo. Chegando ao cátodo, os elétrons e os prótons H+ reagirão com o Oxigênio, produzindo água em forma gasosa, na reação 2. O funcionamento esquemático deste processo pode ser visto na Figura 1.

É essencial que seja estudada a escolha do eletrodo a ser utilizado, já que este deve permitir apenas a passagem dos prótons H+ do ânodo para o cátodo, ou do cátodo para o ânodo, não permitindo a transferência dos elétrons produzidos, já que isso impossibilitaria a passagem dos elétrons pela corrente, não produzindo energia elétrica.

No funcionamento de uma única célula a combustível utilizando Hidrogênio e Oxigênio, será produzido algo em torno de 1,0 V (Volt) de diferença de potencial. Sendo assim, para se obter níveis suficientes e úteis de potência elétrica deve-se associar diversas células a combustível umas as outras, em série, formando uma pilha a combustível (Figura 2).