Células de hidrogênio combustível

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA GOIANO

CAMPUS MORRINHOS

LICENCIATURA EM QUÍMICA

CÉLULAS DE HIDROGÊNIO COMBUSTÍVEL

Juliana Moreira Silva

Morrinhos

2016

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INTRODUÇÃO

A geração de energia tem tomado novos rumos nos últimos anos, com a preocupação em produzir energia limpa. Veículos automotores liberam quantidades exorbitantes de poluentes atmosféricos, tais como CO, NO2, alguns compostos orgânicos voláteis, que podem afetar tanto o meio ambiente, quanto a saúde dos seres vivos inseridos no meio.

        Segundo Conelheiro e Luciano (2012), a poluição provocada pelos poluentes liberados pelos veículos em regiões próximas a escolas, atuam como fator determinante no desenvolvimento da asma infantil. Em resumo, a poluição causada por estes poluentes, é responsável por cerca de 250.000 novos casos de bronquite crônica e mais de 500.000 ataques de asma a cada ano, na Europa.

        A preocupação com a produção de energia limpa se dá também pelo fato de que os combustíveis fósseis não são fontes renováveis de energia, assim, em algum tempo, estes recursos acabaram, sendo necessária a substituição dessa fonte de energia. Uma das substituições que veem sendo pesquisada e desenvolvida nos últimos anos é a de combustíveis feitos a partir de hidrogênio, que é produzido por processos simples e não causa poluições no meio ambiente.

        Qualquer combustível deve ser capa de liberar uma quantidade de energia fixa ao reagir com oxigênio para formação de água. Essa energia pode ser quantificada experimentalmente por meio do poder calorífico superior (HHV) e poder calorífico inferior (LHV). (SANTOS e SANTOS, _____.). Segundo os dados da tabela 1, o hidrogênio é o elemento combustível (se comparado com os demais) que apresenta o maior poder calorífico superior e inferior, uma vez que é o elemento mais leve conhecido, além de sérum agente não poluente.

Tabela 1: Poder calorífico de diferentes combustíveis. Fonte: SANTOS e SANTOS ____.

Combustível	HHV (25 °C e 1atm) (KJ/g)	LHV (25 °C e 1atm) (KJ/g)
H2	141,86	119,93
CH4	55,53	50,02
C3H8	50,36	45,06
Gasolina	47,5	44,5
Gasóleo	44,8	42,5
CH2OH	19,96	18,05

        

        A energia liberada durante a reação de hidrogênio é cerca de 2,5 vezes maior que o poder de combustão em um hidrocarboneto, sendo necessária apenas um terço da massa de um hidrocarboneto para produzir a mesma quantidade de energia.

        As células combustíveis com energia gerada a partir de reações eletroquímicas, mediante conversão da energia química do combustível e de um oxidante, vem apresentando resultados satisfatórios, porém, um fator determinante no uso é a sua inviabilidade econômica.

        A maioria das células de combustível usam o hidrogênio como primeira opção, devido ao seu alto poder de reação eletroquímica no anodo. Além disso, sua oxidação produz água, que não é maligna para o meio ambiente.

        Nesse sentido, o objetivo do presente trabalho é um estudo das células de hidrogênio combustível e suas aplicações.

CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL

        Segundo Costa et al. (2014), as células de combustíveis são transdutores eletroquímico cuja operação contínua converte energia, gerada a partir de reações químicas, em energia elétrica, por meio do rearranjo de átomos de oxigênio e hidrogênio para formação de água, energia elétrica e energia térmica. Essas células possuem vários tipos de funcionamento, como a PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), que possui grande significância no cenário nacional de tecnologia.

        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.

[pic 1]

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.