Uma célula de combustível produz eletricidade utilizando a energia liberada pela mistura do combustível com o ar, uma reação que cria água e às vezes também dióxido de carbono. O combustível mais comum para as células a combustível é o hidrogênio, que quando reagido com o oxigênio do ar produz apenas água. As células de combustível funcionam como uma bateria sendo constantemente alimentada com combustível para que nunca se esgote (desde que se tenha combustível suficiente). As células de combustível são uma parte importante da economia de hidrogênio. As moléculas de hidrogênio são encontradas em substâncias como metano, água e biomassa, mas em todos os casos é necessária alguma energia para extraí-lo. Há duas formas comuns de produzir hidrogênio - ele pode ser separado da maioria dos combustíveis como petróleo, gás, carvão em um processo chamado reforma a vapor, ou pode ser extraído da água usando um processo chamado eletrólise. Se o hidrogênio for separado dos combustíveis fósseis, o dióxido de carbono é liberado. Se a energia utilizada para extraí-lo da água através da eletrólise vem da energia solar ou eólica, então o hidrogênio produzido é benigno porque não são liberadas emissões. O hidrogênio também pode ser separado do biogás renovável, o que significa que o carbono emitido não é de origem fóssil e, portanto, faz parte do ciclo natural do carbono.
Célula de combustível
Como converter energia
A água é uma molécula que consiste em um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio. É necessária energia para separar a água em oxigênio e hidrogênio, e a energia é liberada quando eles são novamente colocados juntos como água. Uma célula de combustível junta novamente o hidrogênio e o oxigênio de forma a liberar a energia na forma de eletricidade.
O combustível (a fonte de energia, geralmente hidrogênio) e o ar (que contém o oxigênio) são colocados em lados opostos da célula de combustível. No meio da célula de combustível há uma "tela", chamada de eletrólito, colada entre duas placas metálicas, chamadas eletrodos, que mantém o combustível e o ar separados. Tipos diferentes de células de combustível recebem seus nomes com base em que tipo de tela é usada para separar o combustível e o ar. A tela só permite que moléculas específicas carregadas, também conhecidas como íons, passem por elas.
Para criar íons, os elétrons têm que ser transportados de um lado para o outro do sistema. Os elétrons são separados do combustível pela placa metálica no lado do combustível e precisam viajar para o lado do ar para completar a reação. Como a tela não deixa passar os elétrons, eles passam por um fio separado, para a outra placa metálica no lado do ar. O deslocamento dos elétrons cria corrente elétrica (eletricidade). O fio é onde a eletricidade pode ser usada. Por exemplo, o fio pode ser cortado ao meio e uma lâmpada pode ser conectada entre as duas metades.
Enquanto isso, os íons passam através da tela e reagem com as moléculas (já do outro lado) e elétrons (que viajavam através do fio, dando energia à eletrônica de potência) do outro lado. Forma-se água (e, dependendo do tipo de combustível, ocasionalmente outros produtos), que saem através de um tubo de escape.
Eficiência
As células a combustível produzem eletricidade combinando oxigênio e hidrogênio. A eficiência é muito boa (cerca de 40%-70%). Elas têm uma eficiência máxima de 83% se o calor de exaustão for utilizado durante a reação. Além disso, as células a combustível podem utilizar vários combustíveis, por exemplo, gás natural, metanol, GLP (gás liquefeito de petróleo), nafta, querosene, etc.
Características
Alguns tipos de células a combustível produzem apenas água, o que significa que não há poluição. A maioria dos tipos de células a combustível causam muito menos emissões do que a geração de energia clássica ("calórica"). Eles podem consumir os mesmos tipos de combustível que os geradores de energia clássicos, por exemplo, motores Diesel, mas são cerca de duas vezes mais eficientes, o que significa que podem produzir a mesma quantidade de energia com metade do combustível e, portanto, pelo menos a metade da poluição. Além disso, o uso de células combustíveis de conversão direta tem menos risco de produzir emissões secundárias como NOx, SOx e material particulado, que são efeitos colaterais da combustão, contribuem para o aquecimento global, e são conhecidos como critérios poluentes.
As células de combustível são muito silenciosas. Elas não têm peças móveis além de alguns ventiladores para mover ar, e bombas para mover água, o que significa que muito raramente necessitam de reparos, porém algumas grandes células de combustível usadas para alimentar coisas como edifícios podem ser bastante frágeis.
Devido às emissões muito baixas de poluentes, as células de combustível são freqüentemente utilizadas em veículos que se movimentam dentro de edifícios, como empilhadeiras. Por serem muito silenciosas, são utilizadas em alguns submarinos militares para evitar a detecção. O combustível é utilizado de forma mais eficiente, o que significa que as células de combustível podem funcionar por mais tempo sem a necessidade de combustível novo. Isto permite que sejam utilizadas em lugares de difícil acesso, como estações meteorológicas ou de pesquisa, navios espaciais ou bases militares.
Como as naves espaciais são lançadas usando foguetes contendo hidrogênio e oxigênio puro, a eletricidade a bordo é produzida usando células de combustível muito eficientes que podem usar esses combustíveis. Além disso, as células de combustível nas naves espaciais produzem água pura em seu escapamento, que pode ser capturada e utilizada como água potável para os astronautas, o que significa que absolutamente nada é desperdiçado.
Tipos de células de combustível
As células de combustível podem ser classificadas pelo tipo de tela interna (eletrólito). Por exemplo, as células combustíveis de ácido fosfórico são para baixas temperaturas. É usado em telefones celulares e fontes de alimentação de automóveis que requerem altas correntes, pois é muito mais seguro. As células a combustível alcalino geralmente contêm hidróxido de potássio (KOH). As células a combustível de metanol são utilizadas por reação eletroquímica do metanol. Este tipo de célula a combustível é uma escolha melhor para um sistema mais simples. Mas as células a combustível de metanol têm baixas densidades de saída, já que sua taxa de reação é lenta.
Alguns tipos importantes de células a combustível são:
- Célula combustível de ácido fosfórico (PAFC) - As células combustíveis de ácido fosfórico estão disponíveis comercialmente hoje em dia. São as células a combustível mais comuns para a geração combinada de calor e energia.
- Célula de combustível de troca de prótons (PEM) - Estas células de combustível operam a temperaturas relativamente baixas (cerca de 175 °F), têm alta densidade de potência, podem variar rapidamente sua saída para atender às mudanças na demanda de energia e são adequadas para aplicações, tais como em automóveis, onde a rápida partida é necessária. Todos os veículos comerciais a célula de combustível utilizam este tipo de célula de combustível. A desvantagem dessas células de combustível é que elas requerem hidrogênio de alta pureza, que é caro para produzir.
- Célula a combustível carbonato fundido (MCFC) - Estas células a combustível operam a temperaturas muito altas que lhes permitem converter combustíveis mais complexos, como o gás natural, em combustível hidrogênio a ser utilizado pela própria célula. Elas levam várias horas para serem colocadas em funcionamento e desligadas, de modo que só são usadas em aplicações onde podem continuar funcionando continuamente, como energia estacionária para grandes edifícios/empresas.
- Célula a combustível microbiana (MFC) - Uma célula a combustível que utiliza micróbios respiring para converter substratos orgânicos em energia elétrica, utilizando reações de redução deoxidação.
Aplicações
Há muitos usos para células de combustível - as principais montadoras de automóveis estão trabalhando para comercializar carros a célula de combustível. A Toyota e a Honda lançaram o Mirai e o Clarity, respectivamente. As células a combustível são acionamento de ônibus, barcos, trens, aviões, scooters, empilhadeiras e bicicletas. Existem máquinas de venda automática movidas a células de combustível, aspiradores de pó e placas de sinalização rodoviária. Estão previstas células de combustível miniatura para telefones celulares, computadores portáteis e eletrônicos portáteis. Hospitais, centros de cartões de crédito, delegacias de polícia e bancos usam células de combustível para fornecer energia às suas instalações. As estações de tratamento de esgoto e aterros sanitários as utilizam para converter o gás metano que produzem em eletricidade. As células a combustível têm sido usadas há muito tempo no espaço exterior. Empresas de telecomunicações utilizam células a combustível em torres de telefonia celular, rádio e 911.
Perguntas e Respostas
Q: Como uma célula de combustível gera eletricidade?
R: Uma célula de combustível gera eletricidade ao misturar combustível com ar e criar uma reação que libera energia, criando água e, às vezes, dióxido de carbono.
P: Qual é o combustível mais comum usado em células de combustível?
R: O combustível mais comum usado em células de combustível é o hidrogênio.
P: Qual é a diferença entre uma célula de combustível e uma bateria?
R: A diferença entre uma célula de combustível e uma bateria é que ela é constantemente alimentada com combustível, de modo que nunca se esgota, desde que haja combustível suficiente disponível.
P: O que é a economia de hidrogênio?
R: A economia do hidrogênio refere-se ao uso do hidrogênio como fonte de combustível para reduzir a dependência de combustíveis fósseis.
P: Como o hidrogênio é produzido?
R: O hidrogênio pode ser produzido por meio de um processo chamado reforma a vapor ou extraído da água por meio de um processo chamado eletrólise.
P: O que acontece quando o hidrogênio é separado dos combustíveis fósseis?
R: Quando o hidrogênio é separado dos combustíveis fósseis, o dióxido de carbono é liberado.
P: O hidrogênio pode ser produzido de forma a não emitir substâncias nocivas?
R: Sim, se a energia usada para produzir hidrogênio for proveniente de fontes renováveis, como solar ou eólica, o hidrogênio produzido é benigno porque não há liberação de emissões. O hidrogênio também pode ser separado do biogás renovável, o que significa que o carbono emitido não é de origem fóssil e, portanto, faz parte do ciclo natural do carbono.