Uma célula de combustível é como uma bateria na medida em que gera electricidade a partir de uma reacção electroquímica.
Uma célula de combustível, utiliza um fornecimento externo de energia química e pode funcionar indefinidamente, desde que seja fornecida com uma fonte de hidrogénio e uma fonte de oxigénio (geralmente ar). A fonte de hidrogénio é geralmente referida como o combustível e isto dá à célula de combustível o seu nome, embora não haja combustão envolvida. A oxidação do hidrogénio ocorre, em vez disso, electroquimicamente de uma forma muito eficiente. Durante a oxidação, os átomos de hidrogénio reagem com átomos de oxigénio para formar água; no processo, os electrões são libertados e fluem através de um circuito externo como uma corrente eléctrica.
Células de combustível podem variar desde pequenos dispositivos que produzem apenas alguns watts de electricidade, até grandes centrais eléctricas que produzem megawatts. Todas as células de combustível baseiam-se num desenho central, utilizando dois eléctrodos separados por um electrólito sólido ou líquido que transporta partículas carregadas electricamente entre elas. Um catalisador é frequentemente utilizado para acelerar as reacções nos eléctrodos. Os tipos de células a combustível são geralmente classificados de acordo com a natureza do electrólito que utilizam. Cada tipo requer materiais e combustíveis específicos e é adequado para diferentes aplicações.
No campo energético, a maior parte do hidrogénio é utilizado através das Células de Combustível (CFs). Uma célula de combustível é um dispositivo electroquímico que combina hidrogénio e oxigénio para produzir electricidade, com água e calor como subprodutos. Na sua forma mais simples, uma única célula de combustível consiste em dois eléctrodos – um ânodo e um cátodo – com um electrólito entre eles. No ânodo, o hidrogénio reage com um catalisador, criando um ião com carga positiva e um electrão com carga negativa. O protão passa então através do electrólito, enquanto o electrão viaja através de um circuito, criando uma corrente. No cátodo, o oxigénio reage com o ião e o electrão, formando água e calor útil.
Células de Combustível de Óxido Sólido (SOFC)
SOFCs utilizam um composto cerâmico duro e não poroso como electrólito. Uma vez que o electrólito é sólido, as células não têm de ser construídas na configuração tipo placa típica de outros tipos de células de combustível. Espera-se que os SOFC sejam cerca de 50%-60% eficientes na conversão de combustível em electricidade 15 .
Funcionam a temperaturas muito elevadas, tipicamente entre 500 e 1 000 °C. A estas temperaturas, os SOFC não requerem material catalisador de platina caro, como é actualmente necessário para células de combustível de baixa temperatura, como os PEMFC, e não são vulneráveis ao envenenamento por monóxido de carbono (desactivação por impurezas). Contudo, a vulnerabilidade ao enxofre tem sido amplamente observada e o enxofre deve ser removido antes de entrar na célula através da utilização de leitos adsorventes ou outros meios.
SOFCs têm uma grande variedade de aplicações que vão desde unidades de potência auxiliares em veículos até à geração de energia estacionária, com potências de 100 W a 2 MW. A temperatura de funcionamento mais elevada torna os SOFCs candidatos adequados para utilizações com dispositivos de recuperação de energia de motores térmicos ou calor e potência combinados, o que aumenta ainda mais a eficiência global do combustível.
Células de Combustível de Membrana de Troca de Polímero (PEMFC)
Células de Combustível de Membrana de Troca de Polímero, também conhecidas como Células de Combustível de Electrólito Polímero ou PEMFC, proporcionam alta densidade de potência e têm várias vantagens relacionadas com o seu baixo peso e volume, em comparação com outros FCs 15 . As PEMFCs utilizam uma membrana polimérica como electrólito, e eléctrodos de carbono porosos contendo um catalisador de platina. Estes tipos de FC só necessitam de hidrogénio, oxigénio do ar e água para funcionar, e o seu funcionamento não envolve fluidos corrosivos como alguns outros FC. São tipicamente alimentados com hidrogénio puro fornecido por tanques de armazenamento.
Funcionam a baixas temperaturas, cerca de 80°C, e são adequados para aplicações de mobilidade e outros usos que requerem uma alta exigência inicial de potência, que é de alta densidade.
Como hoje em dia, os PEMFC não funcionam a altas temperaturas devido à deterioração das membranas actuais, sendo uma limitação para algumas aplicações de FC. O seu funcionamento a baixas temperaturas tem uma vantagem importante, mas também tem alguns inconvenientes. A principal vantagem é que os PEMFC podem atingir rapidamente a temperatura de operação a partir da temperatura ambiente. O principal problema é o facto de necessitarem da presença de um catalisador de platina para poderem funcionar, acrescentando custos. Além disso, o catalisador de platina é também muito sensível ao envenenamento por CO, tornando obrigatória a utilização de um reactor adicional para reduzir o CO no gás combustível se o hidrogénio for proveniente de um combustível de álcool ou hidrocarboneto. Este passo torna este tipo de FC mais caro. Os esforços de investigação para reduzir ou mesmo suprimir o uso de platina estão em curso e a quantidade de platina utilizada no PEM FC já diminuiu muito substancialmente. Além disso, o catalisador de platina pode ser reciclado.
Hoje em dia, a célula de combustível PEM é a escolha consensual para aplicação no transporte rodoviário (carro, autocarro, camiões, etc. ) PEM são também utilizados em alguma aplicação estacionária.
Células de Combustível Alcalinas
Células de Combustível Alcalinas (AFCs) foram uma das primeiras tecnologias desenvolvidas de FC, e foram o primeiro tipo amplamente utilizado na U.S. space program to produce electrical energy and water on-board spacececraft 13 .
Estes FCs utilizam uma solução de hidróxido de potássio na água como electrólito, e podem utilizar uma variedade de metais não preciosos como catalizador no ânodo e no cátodo. Os AFC de alta temperatura funcionam a temperaturas entre 100°C e 250°C. No entanto, os AFC mais recentes operam a temperaturas mais baixas de cerca de 23°C a 70°C. A eficiência de um AFC alcalino a funcionar com hidrogénio puro é de 60%.
Uma das suas vantagens é que a água produzida é potável e actualmente são as células combustíveis mais baratas a fabricar 14 . A razão reside nos materiais relativamente baratos utilizados como catalisadores nos seus eléctrodos, em comparação com catalisadores como a platina necessária para outros tipos de FCs.
Uma das limitações dos AFC, é que são sensíveis ao dióxido de carbono (CO2) que pode estar presente no combustível ou no ar. O CO 2 reage com o electrólito para formar um carbonato que pode diminuir a condutividade.
Correntemente, este tipo de FC está a ser testado para aplicações de energia estacionária.
Células de combustível de metanol directo (DMFC)
DMFCs são alimentados por metanol puro, que é misturado com vapor e alimentado directamente ao ânodo da célula de combustível. A sua novidade é o combustível utilizado. O ânodo pode ser alimentado com metanol líquido ou vapores de metanol, enquanto que o cátodo recebe ar. Os DMFCs pertencem à família dos FCs de baixa temperatura. Podem ser considerados uma evolução do PEMFC, uma vez que utilizam uma membrana polimérica como electrólito. No entanto, o catalisador de platina e ruténio no ânodo DMFC é capaz de extrair o hidrogénio do metanol líquido, eliminando a necessidade de um reformador de combustível. Portanto, o metanol puro pode ser utilizado como combustível.
DMFCs têm intervalos de temperatura de funcionamento entre 60°C e 130°C e tendem a ser utilizados em aplicações com requisitos de potência modestos, tais como dispositivos electrónicos móveis ou carregadores e pacotes de potência portáteis 19 .
DMFCs poderiam também ser uma alternativa aos PEMFCs e aos tanques de armazenamento de H 2 a bordo dos veículos. Nesta linha, projectos recentes visam demonstrar a utilização de células de combustível movidas a metanol como possíveis extensores de alcance para pequenos carros urbanos eléctricos a bateria.
Células de combustível de ácido fosfórico (PAFC)
Células de combustível de ácido fosfórico (PAFC) utilizam ácido fosfórico líquido como electrólito (o ácido está contido numa matriz de carboneto de silício ligado a teflon) e eléctrodos de carbono porosos que contêm um catalisador de platina.
PAFCs foram desenvolvidos em meados dos anos 60 e testados desde os anos 70. Desde então, características como a instabilidade, desempenho e custo foram melhoradas. Estas características tornaram os PAFC bons candidatos para aplicações estacionárias.
Funcionam entre 150°C e 200°C, a água resultante da operação pode ser convertida em vapor para aquecimento de ar e água (Calor e Energia Combinados, CHP). Esta característica permite aumentos de eficiência de até 70%. A temperaturas mais baixas, o ácido fosfórico é um pobre condutor iónico, e o envenenamento por CO do catalisador de platina no ânodo torna-se significativo. No entanto, têm a vantagem de serem muito menos sensíveis ao CO do que os PEMFC e os AFC. Os PAFC admitem combustíveis que contêm CO e podem mesmo tolerar uma concentração de CO de cerca de 1,5%, o que aumenta a gama de combustíveis que podem ser utilizados (nota: se for utilizada gasolina, o enxofre deve ser removido primeiro).
Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC)
Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC) estão a ser desenvolvidas para Gás Natural (GN) e centrais eléctricas a carvão para aplicações eléctricas, industriais, e militares. Os MCFC funcionam a alta temperatura e utilizam um electrólito composto por uma mistura de sal de carbonato fundido suspenso numa matriz porosa, quimicamente inerte de óxido de alumínio de lítio cerâmico (LiAlO 2 ). Como os MCFC funcionam a temperaturas extremamente elevadas (650°C e superiores), os catalisadores não precisam de ser metais preciosos como a platina, tornando os MCFC mais acessíveis 20 .
Têm uma eficiência de 60% quando produzem electricidade e 85% se forem utilizados em cogeração. As vantagens da operação a altas temperaturas é que há um aumento da eficiência e permite a utilização de catalisadores menos dispendiosos; contudo, temperaturas tão altas encurtam a vida útil do MCFC e promovem a corrosão. Os MCFC podem funcionar com combustíveis tais como gás natural, biogás, gás de síntese, metano e propano.
Desvantagens incluem uma baixa densidade de potência e a agressividade do electrólito.