ENERGIA DO FUTURO: CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
O QUE SÃO CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL?
Uma célula de combustível é uma célula electroquímica que converte continuamente a energia química de um combustível e de um oxidante em energia eléctrica, através dum processo que envolve essencialmente um sistema eléctrodo/electrólito [Kordesch et al., 1996].
Uma célula de combustível pode converter mais do que 90% da energia contida num combustível em energia eléctrica e calor. No ano de 1996, as células de combustível com ácido fosfórico (CCAF) apresentavam uma eficiência de conversão eléctrica de 42%, com uma elevada produção de calor [Kordesch et al., 1996].
COMO FUNCIONAM?
Todas as células de combustível são constituídas por dois eléctrodos, um positivo e outro negativo, designados por, cátodo e ânodo, respectivamente [Larminie, 2002]. Igualmente, todas as células têm um electrólito, que tem a função de transportar os iões produzidos no ânodo, ou no cátodo, para o eléctrodo contrário, e um catalisador, que acelera as reacções electroquímicas nos eléctrodos.
A modo de exemplo, utilizando o hidrogénio como combustível e o oxigénio como oxidante, as reacções no ânodo e cátodo na célula de combustível são as seguintes, respectivamente:
hidrogénio (combustível) é alimentado ao ânodo da célula de combustível (ver figura), onde é oxidado no catalisador de platina (camada difusiva/catalítica), havendo a produção de dois electrões e dois protões hidrogénio, H+ (reacção ânodo). De seguida, os electrões produzidos pela reacção de oxidação do hidrogénio são transportados através de um circuito eléctrico e utilizados para produzirem trabalho (corrente contínua). Por sua vez, os protões produzidos na reacção anódica são transportados do ânodo para o cátodo, através do electrólito (no centro da célula). No cátodo, o oxigénio é alimentado e reage com os protões transportados através do electrólito e com os electrões provenientes do circuito eléctrico (reacção cátodo). O produto final da reacção que ocorre no cátodo é o vapor de água.
Noutro tipo distinto de células de combustível, o oxigénio é reduzido pelos electrões do circuito eléctrico no cátodo e, de seguida, o seu ião transfere-se através do electrólito para o ânodo, onde se combina com os iões hidrogénio.
A selecção do electrólito é de extrema importância, visto que este deve permitir somente a transferência de iões do ânodo para o cátodo, ou vice-versa [Cappadonia et al., 2000]. Se os electrões ou outras substâncias transferirem-se através do electrólito do ânodo para o cátodo, ou vice-versa, a performance global da célula de combustível fica seriamente afectada. Por sua vez, de maneira a obter-se o funcionamento mais eficiente possível de uma célula de combustível, os eléctrodos devem ter elevadas áreas de contacto e o electrólito deve ter uma espessura reduzida [Larminie, 2002]. Um electrólito comum nas células de combustível é um ácido, com iões H+ móveis.
Na prática, cada uma das células de combustível pode produzir uma diferença de potencial inferior ou igual a 1 V. Isto significa que para se obterem níveis úteis de potência eléctrica têm de se associar diversas células de combustível em série (pilha). Deste modo, um sistema de células de combustível apresenta a vantagem de ser modular e, por isso, tem a possibilidade de ser construído para uma ampla gama de potências eléctricas, podendo ir dos mWatts até aos MWatts [Kordesch et al., 1996].
As células de combustível são interligadas entre si por pratos bipolares (ver figura). Estes pratos devem ser bons condutores de electricidade, e ter canais ao longo da sua superfície, de maneira a possibilitar o escoamento do combustível no ânodo e do ar ou oxigénio no cátodo. Ao mesmo tempo, estes devem permitir um bom contacto eléctrico com os eléctrodos, ser o menos espesso possível e de fabrico barato. Um requisito adicional é o de evitar as fugas de reagentes [Cappadonia et al., 2000].
O desenho e o fabrico das conexões entre as células de combustível é de extrema importância para o sistema, e contribui em grande parte para o custo da pilha [Thomas et al., 1999].
OS TIPOS DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Muitos dos requisitos apresentados pelos sistemas eléctricos convencionais implicam desafios técnicos específicos para as células de combustível. Por exemplo, de maneira a ter uma maior flexibilidade em relação ao combustível e melhor utilização do calor produzido, uma célula de combustível deverá funcionar a temperaturas elevadas. De maneira a responder aos diversos desafios técnicos, os investigadores desenvolveram diferentes tipos de células de combustível.
Os diferentes tipos de células de combustível são os seguintes:
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- Células de combustível com membrana de permuta protónica (CCMPP).
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- Células de combustível alcalinas (CCA).
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- Células de combustível ácido fosfóricas (CCAF).
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- Células de combustível de carbonato fundido (CCCF).
- Células de combustível de óxido sólido (CCOS).
CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL COM MEMBRANA DE PERMUTA PROTÓNICA (CCMPP)
A célula de combustível com membrana de permuta protónica apresenta a vantagem da sua simplicidade de funcionamento. O electrólito nesta célula de combustível é uma membrana de permuta iónica (polímero ácido sulfónico fluorizado ou outro polímero similar) que é boa condutora de protões do ânodo para o cátodo. Por sua vez, o combustível utilizado é o hidrogénio com elevado grau de pureza.
O único líquido na célula é a água e, devido a esse facto, os problemas de corrosão são mínimos. A presença da água líquida na célula é de extrema importância porque a membrana de permuta protónica deve ser mantida hidratada durante o funcionamento da célula de combustível. Devido às limitações apresentadas em relação à temperatura, impostas pelo polímero da membrana e pela necessária da hidratação da membrana, esta célula de combustível funciona para temperaturas, usualmente, inferiores a 100º C. Sendo assim, as velocidade de reacção reduzidas são compensadas pela utilização de catalisadores e eléctrodos sofisticados. O catalisador utilizado é a platina e desenvolvimentos recentes permitiram a utilização de pequenas quantidades de catalisador, sendo o custo da platina uma pequena parte no preço total da CCMPP.
Para além do hidrogénio como combustível, as células de combustível CCMPP podem funcionar com combustíveis alternativos (células de combustível indirectas), desde que estes sejam previamente convertidos em hidrogénio. Os combustíveis utilizados é CCMPP indirectas podem ser, por exemplo, metanol, etanol, metano, propano, etc..
Uma variante importante da CCMPP é a célula de combustível com alimentação directa de metanol (CCDM). Como combustível, o metanol tem diversas vantagens em relação ao hidrogénio – para além de ser líquido à temperatura ambiente, este pode ser facilmente transportado e armazenado [Hirschenhofer et al., 1998]. Os principais problemas das CCDM são o sobrepotencial electroquímico no ânodo, o que torna a célula menos eficiente, e o facto do metanol difundir através da membrana de permuta protónica (MPP) do ânodo para o cátodo. No entanto, no presente, os investigadores desta tecnologia estão a alcançar progressos importantes que resolvem parcialmente estes problemas, tornando este tipo de células de combustível potencialmente útil para ser utilizado em equipamentos eléctricos portáteis e, igualmente, em meios de transporte.
CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL ALCALINAS (CCA)
Nas células de combustível alcalinas, o electrólito utilizado é uma solução concentrada de KOH (85 %peso) para temperaturas elevadas (~ 250 ºC) e menos concentrada (35 – 50 %peso) para temperaturas interiores (< 120 ºC) [Larminie, 2002]. As pilhas CCA utilizadas no programa Apollo da NASA utilizavam uma solução de KOH com 85 %peso e funcionavam à temperatura de 250 ºC. O problema das velocidades de reacção baixas (baixas temperaturas) é superado com a utilização de eléctrodos porosos, com platina impregnada, e com a utilização de pressões elevadas. Neste tipo de células de combustível, a redução do oxigénio no cátodo é mais rápida em electrólitos alcalinos, comparativamente com os ácidos e, devido a isso, existe a possibilidade da utilização de metais não nobres neste tipo de células [Larminie, 2002]. As principais desvantagens desta tecnologia são o facto dos electrólitos alcalinos (p. ex. NaOH e KOH) dissolverem o CO2 e a circulação do electrólito na célula, tornando o funcionamento desta mais complexo. No entanto o electrólito apresenta custos reduzidos. 
CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL ÁCIDO FOSFÓRICAS (CCAF)
As células de combustível ácido fosfóricas foram as primeiras a ser produzidas comercialmente e apresentam uma ampla aplicação a nível mundial. Muitas unidades de 200 kW, produzidas pela empresa “International Fuel Cells Corporation” estão instaladas nos Estados Unidos e na Europa.
Neste tipo de células de combustível, o electrólito utilizado é o ácido fosfórico a ~100%, funcionando a temperaturas entre 160 ºC e 220 ºC. Para temperaturas baixas, o ácido fosfórico é um mau condutor iónico e o envenenamento da platina pelo CO no ânodo torna-se mais severo.
A estabilidade relativa do ácido fosfórico é elevada em comparação com outros ácidos comuns e, consequentemente, a célula de combustível CCAF pode produzir energia eléctrica a temperaturas elevadas (220 ºC). Para além disso, a utilização de um ácido concentrado (~100 %) minimiza a pressão de vapor da água, facilitando a gestão da água na célula. O suporte utilizado universalmente para o ácido é o carboneto de silicone e o electrocatalisador utilizado no ânodo e cátodo é a platina.
O problema do armazenamento do hidrogénio pode ser resolvido pela transformação do metano em hidrogénio e dióxido de carbono, mas o equipamento necessário para esta operação acrescenta à célula custos consideráveis, maior complexidade, e tamanho superior [Larminie, 2002]. No entanto, estes sistemas apresentam as vantagens associadas à simplicidade de funcionamento da tecnologia das células de combustível, disponibilizando um sistema de produção de energia eléctrica seguro e que envolve baixos custos de manutenção. Alguns destes sistemas funcionaram continuamente durante diversos anos sem qualquer necessidade de manutenção ou intervenção humana.
CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL DE CARBONATO FUNDIDO (CCCF)
A célula de combustível de carbonato fundido utiliza como electrólito uma combinação de carbonatos alcalinos (Na, K, Li), que são estabilizados num suporte de LiAlO2.
Este tipo de células de combustível funciona na gama de temperaturas entre 600 e 700 ºC, para as quais os carbonatos alcalinos formam um sal altamente condutor de iões (ião carbonato). Para temperaturas elevadas pode-se utilizar o níquel como catalisador no ânodo e óxido de níquel no cátodo, não sendo necessária a utilização de metais nobres [Hirschenhofer et al., 1998]. Devido às temperaturas elevadas de operação, neste tipo de sistema pode utilizar-se directamente gás natural, não havendo a necessidade da utilização de “reformadores” externos. No entanto, esta simplicidade é contraposta pela natureza do electrólito, uma mistura quente e corrosiva de lítio, potássio e carbonatos de sódio.
CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL DE ÓXIDO SÓLIDO (CCOS)
As células de combustível de óxido sólido funcionam na gama de temperaturas entre os 600 e os 1000 ºC, possibilitando assim velocidades de reacção elevadas sem a utilização de catalisadores nobres [Hirschenhofer et al., 1998]. O electrólito utilizado neste tipo de célula é um metal óxido, sólido e não poroso, usualmente Y2O3-estabilizado em ZrO2. Na gama de temperaturas elevadas de funcionamento, os iões de oxigénio são transportados do ânodo para o cátodo.
O metano pode ser utilizado directamente, não sendo necessária a utilização de uma unidade de reformação externa [Larminie, 2002]. No entanto, os materiais cerâmicos que constituem estas células acarretam dificuldades adicionais na sua utilização, envolvendo custos de fabrico elevados e sendo necessários muitos equipamentos extra para que a célula produza energia eléctrica. Este sistema extra engloba o de pré aquecimento do combustível e do ar, e o sistema de arrefecimento. Apesar de funcionar a temperaturas superiores a 1000 ºC, o electrólito da CCOS mantém-se permanentemente no estado sólido. Tipicamente o ânodo é Co-ZrO2 ou Ni-ZrO2 e o cátodo é Sr-LaMnO3.
VANTAGENS E DESVANTAGENS DAS CÉLULAS DE COMBUSTÍVEIS
As vantagens das células de combustível são:
Uma célula de combustível pode converter mais do que 90% da energia contida num combustível em energia eléctrica e calor (não há dependência do ciclo de Carnot). No ano de 1996, as células de combustível com ácido fosfórico (CCAF) apresentavam uma eficiência de conversão eléctrica de 42%, com uma elevada produção de calor.
Centrais de produção de energia através de células de combustível podem ser implementadas junto dos pontos de fornecimento permitindo a redução dos custos de transporte e de perdas energéticas nas redes de distribuição.
A habilidade para co-gerar calor, ou seja, para além de produzir electricidade, produz igualmente vapor de água quente.
Devido ao facto de não possuírem partes móveis, as células de combustível apresentam maiores níveis de confiança comparativamente com os motores de combustão interna e turbinas de combustão. Estas não sofrem paragens bruscas devido ao atrito ou falhas das partes móveis durante a operação.
A substituição das centrais termoeléctricas convencionais que produzem electricidade a partir de combustíveis fósseis por células de combustível melhorará a qualidade do ar e reduzirá o consumo de água e a descarga de água residual.
As emissões de uma central eléctrica de células de combustível são dez vezes menos do que as normativas ambientais mais restritas. Para além disso, as células de combustível produzem um nível muito inferior de dióxido de carbono.
A natureza do funcionamento permite a eliminação de muitas fontes de ruídos associadas aos sistemas convencionais de produção de energia por intermédio do vapor.
A flexibilidade no planeamento, incluindo a modulação, resulta em benefícios financeiros e estratégicos para as unidades de células de combustível e para os consumidores.
As células de combustível podem ser desenvolvidas para funcionarem a partir de gás natural, gasolina ou outros combustíveis fáceis de obter e transportar (disponíveis a baixo custo). Um reformador químico que produz hidrogénio enriquecido possibilita a utilização de vários combustíveis gasosos ou líquidos, com baixo teor de enxofre.
Na qualidade de tecnologia alvo de interesse recente, as células de combustível apresentam um elevado potencial de desenvolvimento. Em contraste, as tecnologia competidoras das células de combustível, incluindo turbinas de gás e motores de combustão interna, já atingiram um estado avançado de desenvolvimento.
As desvantagens são:
A necessidade da utilização de metais nobres como, por exemplo, a platina que é um dos metais mais caros e raros no nosso planeta.
O elevado custo actual em comparação com as fontes de energia convencionais.
A elevada pureza que a corrente de alimentação hidrogénio deve ter para não contaminar o catalisador.
Os problemas e os custos associados ao transporte e distribuição de novos combustíveis como, por exemplo, o hidrogénio.
Os interesses económicos associados às indústrias de combustíveis fósseis e aos países industrializados.
PRINCIPAIS APLICAÇÕES DAS CÉLULAS DE COMBUSTÍVEIS
As aplicações mais importantes para as células de combustível são as centrais de produção de electricidade estacionárias e de distribuição, veículos eléctricos motorizados e equipamentos eléctricos portáteis.
I. Centrais eléctricas estacionárias
Uma das características das células de combustível é o facto do tamanho exercer praticamente nenhuma influência sobre a eficiência. Isto significa que podem ser desenvolvidas centrais de produção eléctrica pequenas, com elevadas eficiências, evitando os custos excessivos envolvidos no desenvolvimento da centrais eléctricas convencionais.
Como resultado deste facto, inicialmente, as centrais eléctricas com células de combustível foram desenvolvidas para produzirem potências na gama dos kW até aos MW.
Assim que estas unidades sejam comercializadas e a diminuição dos preços seja alcançada, as células de combustível podem passar a ser utilizadas em centrais estacionárias de produção de electricidade devido à sua elevada eficiência.
Um exemplo prático pode ser uma central eléctrica a células de combustível produzida pela empresa UTC (ver figura). Esta central está instalada numa cervejeira japonesa (Asahi Brewery) e produz energia eléctrica a partir de gases residuais do processo de fermentação. A potência máxima que produz é de 200 kW.
II. Centrais eléctricas de distribuição
As centrais eléctricas de distribuição com células de combustível são sistemas pequenos e modulares que apresentam a possibilidade de serem implementadas nas proximidades do ponto de utilização. O sistema típico produz uma potência eléctrica inferior a 30 MW, envolvendo emissões de poluentes consideradas desprezáveis, comparativamente com os sistemas tradicionais de combustão.
Sendo uma tecnologia recente, nos momentos iniciais de desenvolvimento esta envolvia custos elevados. No entanto, na actualidade os custos envolvidos são cada vez menores devido ao crescente aumento da capacidade de produção. Aliás, para este tipo de sistemas, os custos são praticamente insensíveis em relação ao tamanho. Isto torna-os ideais para uma grande diversidade de aplicações onde podem ser utilizados para terem conformidade com as necessidades do consumidor.
Os sistemas de células de combustível apresentam também a vantagem de emitirem baixos níveis de ruído. Esta qualidade possibilita a sua colocação junto dos pontos de consumo de energia eléctrica. Estes sistema apresentam igualmente eficiências superiores comparativamente com outros sistemas convencionais. A eficiência pode ainda ser aumentada com a utilização de um sistema de aproveitamento do calor libertado pela água residual produzida. Desta forma, pode utilizar-se um sistema combinado de produção de calor e de potência eléctrica [Kordesch et al., 1996].
A primeira geração de células de combustível de ácido fosfórico já foram comercializadas com um sucesso relativo. Por sua vez, é esperado que a segunda geração de células de combustível venha a ser apresentada no decorrer do ano de 2002. No presente estão a realizar-se diversos esforços de investigação para desenvolverem-se novos materiais cerâmicos e melhorar diferentes técnicas de fabrico de maneira a reduzir os custos de produção [Kordesch et al., 1996].
Na actualidade, a empresa H Power comercializa a unidade estacionária RCU 1-10 kW AC (ver figura). Este sistema de produção de energia eléctrica utiliza células de combustível com membrana de permuta protónica (CCMPP). Os combustíveis utilizados podem ser o gás natural e o propano. Esta unidade é capaz de produzir uma potência eléctrica na gama dos 3 a 10 kW. A unidade dispõe de um modulo adicional de recuperação de calor de maneira a produzir água quente para sistemas de aquecimento central.
III. Veículos eléctricos motorizados
Nos últimos anos da década de 1980 passou a existir um interesse crescente no desenvolvimento de células de combustível para utilização em veículos motorizados ligeiros e pesados. O principal interesse deste desenvolvimento é a necessidade de meios de transporte menos poluentes e eficientes. Um veículo motorizado que utilize o hidrogénio como combustível não emite qualquer poluente para a atmosfera. Com outros combustíveis, o sistema de células de combustível utiliza um processador para converter esses mesmos combustíveis em hidrogénio, possibilitando um poder de tracção eléctrico eficiente e com uma emissão praticamente desprezável de gases associados às chuvas ácidas e efeito de estufa.
Para além dos aspectos citados anteriormente, os veículos que utilizam células de combustível apresentam as vantagens de disponibilizarem electricidade extra para componentes do automóvel e de envolverem baixos custos de manutenção devido ao facto de terem poucas partes em movimento. A investigação e o desenvolvimento da tecnologia das células de combustível aplicada aos veículos motorizados é financiada pelo governos do Norte da América, Europa e Japão, assim como, pelas principais construtoras mundiais de automóveis.
Recentemente, a maior actividade no desenvolvimento de células de combustível para meios de transporte foi focada nas células de combustível com membrana de permuta protónica (CCMPP).
Em 1993, a empresa Ballard Power Systems apresentou um autocarro com 10 metros de comprimento com um sistema de 120 kW (ver figura), seguido de um sistema de 200 kW, com 12 metros, em 1995. Estes autocarros utilizam o hidrogénio como combustível (veículos com emissões zero).
Em colaboração com a Ballard, a Daimler-Chrysler construiu uma série de veículos motorizados ligeiros que utilizam células de combustível do tipo CCMPP (ver figura). Estes veículos foram intitulados pela abreviatura NECAR (Non Emission Car).
A primeira geração destes veículos, NECAR 1 e 2, foi alimentada a hidrogénio. Por sua vez, o NECAR 3 (modelo classe A) introduziu a utilização do metanol como fonte de hidrogénio (utilização de reformador). De seguida, em 1999, com o NECAR 4 foi adoptado novamente o hidrogénio como combustível directo das CCMPP. Mais recentemente, em Novembro de 2000, a Daimler-Chrysler apresentou o modelo mais recente da família NECAR, o NECAR 5. Este automóvel adoptou novamente o metanol líquido como fonte de hidrogénio. A velocidade máxima deste veículo é de 150 km/hr e apresenta uma autonomia de ~480 km. Comparativamente com o NECAR 3, o sistema de células de combustível da versão 5 é 50% mais eficiente, tem metade do tamanho e pesa menos 300 kg.
No ano de 2004, a Daimler-Crysler planeia introduzir no mercado os automóveis eléctricos movidos a células de combustível. Até essa data, os engenheiros da empresa irão focar os seus esforços na optimização da confiança do sistema de condução e na redução dos custos. Na opinião dos engenheiros da Daimler-Crysler, o futuro da aplicação das células de combustível em meios de transporte passa pelo desenvolvimento da tecnologia CCDM. Desta maneira, o sistema de produção de electricidade é simplificado porque não existe a necessidade da utilização de reformadores para a produção de hidrogénio a partir do metanol.
Outros construtores de automóveis, incluindo a General Motors, Volkswagen, Volvo, Honda, Nissan, Toyota e Ford, anunciaram igualmente planos para o desenvolvimento de protótipos que utilizam células de combustível com membrana de permuta protónica e são alimentados a hidrogénio, metanol ou gasolina [Hirschenhofer et al., 1998].
IV. Equipamentos eléctricos portáteis
O tipo de células de combustível mais utilizadas em equipamentos portáteis são as células de combustível alcalinas e com membrana de permuta protónica. Isto porque estes tipos de células são aquelas que apresentam uma maior independência da performance em relação ao tamanho. Os combustíveis com maior potencialidade de utilização são o metanol e o etanol, devido à sua facilidade de armazenamento e de abastecimento.
Estas miniaturas de células de combustível, quando disponíveis no mercado, irão possibilitar aos consumidores a utilização de telemóveis durante um mês sem a necessidade de recarga eléctrica. As células de combustível irão revolucionar o mundo da energia portátil, fornecendo energia durante períodos de tempo muito mais alargados a computadores portáteis e equipamentos electrónicos. Outras aplicações para células de combustível em miniatura são as câmaras de vídeo, agendas electrónicas, televisores portáteis, leitores de DVD e todos os outros equipamentos portáteis que utilizam energia eléctrica.
Recentemente, o Instituto de Tecnologia Avançada da empresa Samsung desenvolveu uma célula de combustível que pode ser utilizada num telemóvel. Esta trata-se de uma célula de combustível com alimentação directa de metanol (CCDM) que produz uma densidade de potência de 32 mW/cm2. O tamanho desta é igual ao de um cartão de crédito e a temperatura de funcionamento é de 20 ºC. A transferência de metanol através da MPP foi reduzida em 30%, resultando num aumento da densidade de potência para 180 mW/cm2 a 80 ºC, 100 mW/cm2 a 30 ºC e 32 mW/cm2 a 20 ºC. A empresa irá comercializar esta célula de combustível em 2004 ou 2005.