A célula a combustível é um dispositivo que converte energia química em elétrica e que pode contribuir muito para a geração de energia por ter muitas vantagens.
As células ou pilhas a combustível, assim como as demais pilhas e baterias, são dispositivos capazes de transformar energia química em energia elétrica. No entanto, as células a combustível apresentam algumas vantagens sobre as pilhas:
1. Seus combustíveis não se esgotam:
Isso acontece porque nas pilhas comuns os combustíveis ficam armazenados dentro delas e quando a reação de oxirredução acaba elas param de funcionar. Por outro lado, os combustíveis gasosos das células a combustível estão continuamente sendo injetados nela. Existem de vários tipos, mas uma das principais utiliza o gás hidrogênio (H2) combustível e o gás oxigênio (O2) como agente oxidante.
Conforme o esquema abaixo mostra, esses gases são continuamente injetados a partir de alguma fonte externa. No ânodo (polo negativo – geralmente um eletrodo poroso de níquel) o hidrogênio sofre oxidação porque o eletrólito geralmente é a base KOH (hidróxido de potássio) que possui íons OH- dissolvidos. Tais íons reagem com o hidrogênio, formando cátions H+ e liberando elétrons:
Ânodo: 1H2(g) + 2 OH-(aq) → 2 H2O(ℓ) + 2e-
Devido ao uso da base KOH como eletrólito, este tipo de célula a combustível é denominada de AFC, nome que vem do inglês Alkaline Fuel Cell, que traduzido significa “célula de combustível alcalina”.
Os elétrons passam por um circuito externo, enquanto que os íons migram pelo eletrólito.
Já o cátodo (polo positivo – geralmente um eletrodo de níquel recoberto de óxido de níquel hidratado) promove a redução do oxigênio que acontece quando ele recebe os elétrons que migraram até este polo pelo circuito externo:
Cátodo: ½ O2(g) + 1 H2O(ℓ) + 2e- → 2 OH-(aq)
2. A célula a combustível não é poluente e gera água:
Combinando as semirreações acima, veja os produtos:
Ânodo: 1H2(g) + 2 OH-(aq) → 2 H2O(ℓ) + 2e-
Cátodo: ½ O2(g) + 1 H2O(ℓ) + 2e- → 2 OH-(aq)
Reação global: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(ℓ)
Veja que o produto principal é a água líquida. Ela é arrastada como vapor e pode ser purificada, podendo ser consumida pelas pessoas.
3. Grande eficiência na geração de energia elétrica:
Apesar da reação que ocorre na célula a combustível ser uma verdadeira reação de combustão e liberar um pouco de calor; acontece que, conforme se pode observar no esquema mais acima, o agente oxidante (O2) e o combustível (H2) não entram em contato, eles ficam em partes separadas. Isso significa que não ocorre uma reação de combustão entre eles, que é algo que geraria mais energia térmica. Ou seja, a energia é quase que praticamente toda convertida em eletricidade, com poucas perdas na forma de calor, o que não ocorre em motores de combustão comum.
A voltagem da célula a combustível é de aproximadamente 0,7 V, representando uma eficiência de cerca de 50%. O hidrogênio ainda é o único combustível que produz correntes de interesse prático. Existem também células a combustível movidas a metanol, mas que produz correntes relativamente baixas.
Devido a todas as vantagens apresentadas, as células a combustível tem sido consideradas o “combustível do futuro”, sendo muito usada em espaçonaves, principalmente as americanas, tais como Gemini, Apollo e o Ônibus espacial.
As naves americanas Gemini e Apollo são exemplos de espaçonaves tripuladas movidas a células a combustível
Já existem alguns automóveis denominados de híbridos, que podem ser movidos a gasolina ou a hidrogênio. No entanto, ainda existem alguns inconvenientes que dificultam a utilização desta tecnologia e, por isso, tais automóveis estão somente em exposições.
Veja alguns destes inconvenientes que os cientistas estão tentando superar:
1. O armazenamento do hidrogênio:
Atualmente, nestes carros que possuem células a combustível, o hidrogênio ficam armazenados em tanques e cilindros, o que limitam a capacidade, afetando a autonomia.
2. Produção de hidrogênio:
Este é o principal problema no caso desta geração de energia, porque não se encontra na natureza o gás hidrogênio. Ele precisa ser produzido e a forma mais economicamente viável para isso é por meio dos combustíveis fósseis. Além disso, tais reações demandam muita energia.
Uma saída bastante cogitada é a decomposição da água por meio da energia solar e de um catalisador. Essa possibilidade ainda está sendo estudada.
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