Como funcionam as células de combustível

Os engenheiros substituíram a pilha de células de combustível do Chevrolet Sonic por um dispositivo do tamanho de um forno de microondas.

Em 2003, o presidente George HW Bush anunciou a Iniciativa do Combustível de Hidrogênio. O objetivo é desenvolver tecnologias de hidrogênio e células de combustível para tornar os veículos mais eficientes em termos de combustível até 2020. Os EUA já gastaram mais de um bilhão no projeto.

Uma célula de combustível é um dispositivo elétrico que usa uma célula de combustível para gerar eletricidade. Ao contrário das fontes tradicionais de energia, como petróleo e gás, as células de combustível não emitem gases de efeito estufa, relata Marcos Antonio Grecco.

Neste artigo, discutiremos as várias tecnologias de células de combustível e suas aplicações potenciais. Também discutiremos suas deficiências e como elas podem se tornar mais práticas e acessíveis.

Uma célula de combustível é um dispositivo de conversão de energia que converte os produtos químicos em hidrogênio e oxigênio em eletricidade.

O outro dispositivo elétrico que todos conhecemos e amamos é a bateria. Ele armazena todos os seus produtos químicos dentro e gera eletricidade usando esses produtos químicos.

Com uma célula de combustível, os produtos químicos na célula fluem constantemente para a célula. Este método de converter a energia em eletricidade permite que a célula funcione.

Tipos de Células de Combustível e suas desvantagens Os problemas de células de combustível podem ser resolvidos aprendendo sobre suas várias características, informa Marcos Antonio Grecco .

A célula de combustível competirá com outros dispositivos de conversão de energia, como o motor a gasolina e a usina. Além disso, as baterias podem converter a energia química em energia elétrica de forma mais eficiente.

Diferentes tipos de células de combustível têm sua própria temperatura de operação e seu próprio tipo de eletrólito. Alguns deles podem funcionar bem em usinas estacionárias e alguns podem ser usados ​​para aplicações portáteis.

O Departamento de Energia dos EUA concentrou-se no Performance PEMFC para suas aplicações de transporte. Este tipo de célula de combustível tem alta densidade de potência e baixa temperatura de operação.

Performance PEMFCs são ideais para geradores estacionários de grande escala que fornecem eletricidade. No entanto, eles não podem funcionar em altas temperaturas devido à sua alta confiabilidade.

As células de combustível de óxido sólido são mais estáveis ​​quando funcionam em altas temperaturas. Eles também podem gerar vapor para ajudar a resfriar a célula de combustível.

O Programa Espacial Americano usa células de combustível há várias décadas. No entanto, devido ao seu alto custo e preocupações ambientais, eles provavelmente não serão comercializados.

Os SOFCs também são ideais para grandes geradores estacionários que usam vapor. Eles podem gerar vapor a 600 graus Celsius, pois sua temperatura de operação é menor que a das células a combustível de óxido sólido.

A célula a combustível de ácido fosfórico também pode ser usada em geradores de energia de pequena escala. No entanto, não é adequado para uso em carros devido à sua alta temperatura.

As células de combustível de metanol também não são tão eficientes quanto as PEMFCs. Além disso, eles exigem uma grande quantidade de platina para operar com eficiência.

Em 1839, Sir William Grove fez a primeira célula de combustível. Ele foi capaz de provar sua hipótese depois de criar uma célula de combustível primitiva que transformava água em eletricidade. Foi então usado pelos cientistas Charles Langer e Ludwig Mond para seus experimentos na tentativa de gerar eletricidade.

O PEMFC é uma tecnologia promissora de célula de combustível capaz de converter energia química em eletricidade. Pode ser usado para alimentar carros, ônibus e casas.

O ânodo de uma célula de combustível é um componente que conduz os elétrons que são liberados das moléculas de hidrogênio. Também pode ser usado para criar um circuito externo.

O canal de transporte de oxigênio passa pelos canais do ânodo até o catalisador. Quanto aos elétrons, eles são levados de volta ao circuito externo e são usados ​​para formar água.

A membrana de troca de prótons também é um componente de uma célula de combustível. É um material projetado para impedir a entrada de elétrons no sistema.

O catalisador é um material feito de nanopartículas de platina e foi projetado para permitir a reação de hidrogênio e oxigênio. Geralmente é coberto com papel carbono ou pano.

Quando uma célula de combustível é carregada com gás hidrogênio, ela se divide em dois grupos: um grupo é composto de prótons e o outro de elétrons. Os elétrons passam pelo ânodo para chegar ao circuito externo e retornar ao cátodo da célula a combustível.

À medida que os átomos de oxigênio são forçados através do catalisador, eles formam dois átomos de oxigênio. A molécula de água resultante, que é composta de oxigênio e dois elétrons, é então liberada.

Para atingir um nível de tensão adequado para uso comercial, várias células de combustível devem ser combinadas. Eles são então submetidos a diferentes condições e potenciais, de acordo com Marcos Antonio Grecco.

Um dos fatores mais críticos que afetam a estabilidade de uma célula a combustível é a presença de placas bipolares. Como resultado, as células de combustível de alta temperatura são geralmente submetidas às mesmas condições.

Um dos principais objetivos de uma célula de combustível é reduzir os poluentes. Em comparação, um carro que usa uma célula de combustível como sua principal fonte de combustível produz menos emissões do que um carro que usa uma bateria.

Como cada tipo de carro tem seus próprios componentes, como transmissões e pneus, consideraremos apenas a eficiência de uma célula de combustível wquando se trata de gerar energia mecânica.

Uma célula de combustível movida a hidrogênio pode aumentar sua eficiência em até 80%. Este nível pode converter a energia do hidrogênio em energia elétrica.

Para um cálculo básico, a eficiência de uma célula de combustível é calculada tomando a quantidade de eletricidade que ela produz e convertendo-a em energia mecânica.

Se a fonte de combustível não for hidrogênio puro, um reformador também será necessário. Este processo transforma hidrocarbonetos ou combustíveis de álcool em hidrogênio. Embora possa limpar o hidrogênio, reduz a eficiência de uma célula de combustível.

Embora o hidrogênio seja o elemento mais abundante no universo, a Terra não tem sua própria forma elementar. Em vez disso, deve ser extraído de vários compostos de hidrogênio, como combustíveis fósseis e água.

A eficiência geral de um carro é normalmente baixa. Na maioria dos casos, o calor do veículo é desperdiçado à medida que vai para as bombas do motor e outros componentes. Isso significa que apenas cerca de 20% do conteúdo térmico do combustível é usado para trabalho mecânico.

Um veículo movido a bateria é geralmente 90% eficiente. Por outro lado, o motor/inversor elétrico de um carro é cerca de 80% eficiente.

A eletricidade usada para alimentar um carro era normalmente gerada por um processo de combustão. Se for proveniente de uma usina que usa energia nuclear, hidrelétrica ou eólica, apenas cerca de 40% do combustível foi convertido em eletricidade.

No geral, a eficiência de um carro elétrico é de cerca de 72%. Quando se trata de calcular sua eficiência geral, a eficiência do carro depende do tipo de usina de energia usada. Por exemplo, se o carro for movido por uma usina hidrelétrica, sua eficiência é de cerca de 65%.

Os cientistas estão atualmente trabalhando em maneiras de melhorar a eficiência das células de combustível. Um exemplo é o desenvolvimento de um veículo híbrido que combina uma célula de combustível e uma bateria. Por enquanto, a Ford está planejando construir um carro que use o HySeries Drive.

Embora os veículos movidos a células de combustível sejam mais eficientes energeticamente do que os movidos a bateria, suas capacidades ainda são limitadas em termos de soluções práticas e acessíveis.

Através do estudo da ciência em nanoescala, os engenheiros podem agora obter uma melhor compreensão de como tornar as células de combustível mais eficientes em termos energéticos.

Um dos maiores problemas que as células a combustível enfrentam é o alto custo de seus componentes. Na maioria dos casos, o custo desses componentes representa cerca de 70% do custo total de uma célula de combustível.

Para ser competitivo com carros movidos a gasolina, um sistema de célula de combustível deve custar US$ 35 por quilowatt. Para atingir esse nível de eficiência, os pesquisadores precisam diminuir o teor de platina necessário para atuar como catalisador.

Para alcançar uma maior tolerância à temperatura, os pesquisadores devem desenvolver membranas que possam suportar as condições de teste em temperaturas acima de 100 graus Celsius. Este nível de estabilidade de temperatura é muito importante para que uma célula de combustível permaneça estável.

Devido à natureza de suas membranas, as células a combustível requerem hidratação contínua para desempenhar sua função pretendida. É por isso que os esforços de pesquisa estão focados no desenvolvimento de sistemas que possam lidar com a hidratação de alta pressão.

Além da temperatura, os SOFCs também têm vários outros fatores que afetam sua durabilidade. Por exemplo, eles não podem suportar o calor frequente e esfriar até a temperatura ambiente devido à sua natureza porosa.

De acordo com o Departamento de Energia, os compressores de ar não são adequados para uso em veículos.

A agência também observou que, para que os veículos PEMFC sejam comercialmente viáveis, eles precisam ter uma infraestrutura de hidrogênio estabelecida, informa Marcos Antonio Grecco .

Para alcançar a mesma autonomia de um carro padrão, os pesquisadores precisam superar vários fatores, como volume, peso e custo da célula de combustível.

Além de prático, o uso de células de combustível também tem preocupações de segurança. Por exemplo, os socorristas devem ser treinados para lidar com situações envolvendo um veículo de célula de combustível.

Uma alternativa às membranas de ácido perfluorosulfônico são as membranas à base de aromáticos. Embora possam suportar temperaturas mais altas, essas membranas tendem a inchar quando perdem sua hidratação.

O apoio do governo dos EUA ao desenvolvimento de células de combustível atingiu mais de um bilhão de dólares. Apesar do alto custo, o presidente Donald Trump ainda acredita que esses dispositivos energeticamente eficientes valem o dinheiro.

Devido à dependência do país do petróleo, que responde por mais da metade de seu consumo de energia, a conta anual de importação de petróleo dos EUA deve chegar a US$ 61,8 bilhões até 2025. Mesmo que todos os carros nos EUA tivessem uma célula de combustível, os americanos ainda precisariam consumir a mesma quantidade de petróleo até 2025.

À medida que o custo de extração de petróleo aumenta devido ao esgotamento de mais fontes de baixo custo, as empresas são forçadas a explorar novas fontes de combustível.

Um relatório divulgado em 2006 destacou as várias ameaças representadas pela crescente dependência dos EUA em relação ao petróleo. A questão da segurança nacional também foi destacada no relatório.

É do interesse dos EUA e do mundo explorar outras fontes de energia em vez de apoiar políticas que apoiem portos ricos em petróleo.

Infelizmente, o uso de petróleo e outros combustíveis fósseis produz poluição. É do interesse de todos encontrar uma fonte de energia alternativa.

Embora as células de combustível não contribuam para a poluição do ar, elas também podem produzir hidrogênio puro. Como resultado, a Iniciativa de Hidrogênio planejou se concentrar no desenvolvimento de fontes renováveis de hidrogênio. Isso poderia ajudar os EUA a reduzir sua dependência do petróleo.

Outros países também estão explorando o uso de células de combustível para suas diversas aplicações.

Apesar dos desafios que ainda precisam ser resolvidos, o objetivo de ter um sistema de energia baseado em células de combustível ainda pode ser alcançado nas próximas décadas.