A modo de exemplo, utilizando o hidrogênio como combustível e o oxigênio como oxidante, as reações no ânodo e cátodo na célula de combustível são as seguintes, respectivamente:

O hidrogênio (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 elétrons e dois prótons hidrogênio, H⁺ (reação ânodo). De seguida, os elétrons produzidos pela reação de oxidação do hidrogênio são transportados através de um circuito elétrico e utilizados para produzirem trabalho (corrente contínua). Por sua vez, os prótons produzidos na reação anódica são transportados do ânodo para o cátodo, através do eletrólito (no centro da célula). No cátodo, o oxigênio é alimentado e reage com os prótons transportados através do eletrólito e com os elétrons provenientes do circuito elétrico (reação cátodo). O produto final da reação que ocorre no cátodo é o vapor de água.

Noutro tipo distinto de células de combustível, o oxigênio é reduzido pelos elétrons do circuito elétrico no cátodo e, de seguida, o seu íon transfere-se através do eletrólito para o ânodo, onde se combina com os íons hidrogênio.

A seleção do eletrólito é de extrema importância, visto que este deve permitir somente a transferência de íons do ânodo para o cátodo, ou vice-versa [Cappadonia et al., 2000]. Se os elétrons ou outras substâncias transferirem-se através do eletrólito do ânodo para o cátodo, ou vice-versa, a performance global da célula de combustível fica seriamente afetada. Por sua vez, de maneira a obter-se o funcionamento mais eficiente possível de uma célula de combustível, os elétrodos devem ter elevadas áreas de contacto e o eletrólito deve ter uma espessura reduzida [Larminie, 2002]. Um eletrólito comum nas células de combustível é um ácido, com íons 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 elétrica 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 elétricas, 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 eletricidade, e ter canais ao longo da sua superfície, de maneira a possibilitar o escoamento do combustível no ânodo e do ar ou oxigênio no cátodo. Ao mesmo tempo, estes devem permitir um bom contacto elétrico com os elétrodos, ser o menos espesso possível e de fabrico barato. Um requisito adicional é o de evitar as fugas de reagentes [Cappadonia et al., 2000].

A célula de combustível com membrana de permuta protônica apresenta a vantagem da sua simplicidade de funcionamento. O eletrólito nesta célula de combustível é uma membrana de permuta iônica (polímero ácido sulfônico fluorizado ou outro polímero similar) que é boa condutora de prótons do ânodo para o cátodo. Por sua vez, o combustível utilizado é o hidrogênio com elevado grau de pureza [Kordesch et al., 1996].

O único líquido na célula é a água e, devido a esse fato, os problemas de corrosão são mínimos [Cappadonia et al., 2000]. A presença da água líquida na célula é de extrema importância porque a membrana de permuta protônica 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 [Cappadonia et al., 2000]. Sendo assim, as velocidade de reação reduzidas são compensadas pela utilização de catalisadores e eletrodos 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 hidrogênio como combustível, as células de combustível CCMPP podem funcionar com combustíveis alternativos (células de combustível indiretas), desde que estes sejam previamente convertidos em hidrogênio. Os combustíveis utilizados é CCMPP indiretas 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 hidrogênio – 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 eletroquímico no ânodo, o que torna a célula menos eficiente, e o fato do metanol difundir através da membrana de permuta protônica (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 elétricos portáteis e, igualmente, em meios de transporte [Larminie, 2002].

Nas células de combustível alcalinas, o eletrólito 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 [Kordesch et al., 1996].

O problema das velocidades de reação baixas (baixas temperaturas) é superado com a utilização de elétrodos porosos, com platina impregnada, e com a utilização de pressões elevadas. Neste tipo de células de combustível, a redução do oxigênio no cátodo é mais rápida em eletrólitos 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 fato dos eletrólitos alcalinos (p. ex. NaOH e KOH) dissolverem o CO₂ e a circulação do eletrólito na célula, tornando o funcionamento desta mais complexo [Larminie, 2002]. No entanto o eletrólito apresenta custos reduzidos.

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 [Larminie, 2002].

Neste tipo de células de combustível, o eletrólito 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 iônico 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 elétrica a temperaturas elevadas (220ºC). 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 eletrocatalisador utilizado no ânodo e cátodo é a platina [Kordesch et al., 1996].

O problema do armazenamento do hidrogênio 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 elétrica seguro e que envolve baixos custos de manutenção. Alguns destes sistemas funcionaram continuamente durante diversos anos sem qualquer necessidade de manutenção ou intervenção humana [Larminie, 2002].

A célula de combustível de carbonato fundido utiliza como eletrólito 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 íons (íon 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 diretamente gás natural, não havendo a necessidade da utilização de “reformadores” externos. No entanto, esta simplicidade é contraposta pela natureza do eletrólito, uma mistura quente e corrosiva de lítio, potássio e carbonatos de sódio.

As células de combustível de óxido sólido funcionam na gama de temperaturas entre os 600 e os 1000 ºC, possibilitando assim velocidades de reação elevadas sem a utilização de catalisadores nobres [Hirschenhofer et al., 1998]. O eletrólito 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 íons de oxigênio são transportados do ânodo para o cátodo.

O metano pode ser utilizado diretamente, 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 elétrica. 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 eletrólito da CCOS mantém-se permanentemente no estado sólido. Tipicamente o ânodo é Co-ZrO₂ ou Ni-ZrO₂ e o cátodo é Sr-LaMnO₃ [Kordesch et al., 1996].

VANTAGENS E DESVANTAGENS

APLICAÇÕES

Como resultado deste fato, inicialmente, as centrais elétricas 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 eletricidade devido à sua elevada eficiência [Hirschenhofer et al., 1998].

Um exemplo prático pode ser uma central elétrica a células de combustível produzida pela empresa UTC (ver figura). Esta central está instalada numa cervejeira japonesa (Asahi Brewery) e produz energia elétrica a partir de gases residuais do processo de fermentação. A potência máxima que produz é de 200 kW.

Sendo uma tecnologia recente, nos momentos iniciais de desenvolvimento esta envolvia custos elevados. No entanto, na atualidade 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 [Hirschenhofer et al., 1998].

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 elétrica. 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 elétrica [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 protônica (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.

Para além dos aspectos citados anteriormente, os veículos que utilizam células de combustível apresentam as vantagens de disponibilizarem eletricidade extra para componentes do automóvel e de envolverem baixos custos de manutenção devido ao fato 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 [Hirschenhofer et al., 1998].

Recentemente, a maior atividade no desenvolvimento de células de combustível para meios de transporte foi focada nas células de combustível com membrana de permuta protônica (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 [Hirschenhofer et al., 1998]. Estes autocarros utilizam o hidrogênio 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 hidrogênio. Por sua vez, o NECAR 3 (modelo classe A) introduziu a utilização do metanol como fonte de hidrogênio (utilização de reformador). De seguida, em 1999, com o NECAR 4 foi adotado novamente o hidrogênio como combustível direto das CCMPP. Mais recentemente, em Novembro de 2000, a Daimler-Chrysler apresentou o modelo mais recente da família NECAR, o NECAR 5. Este automóvel adotou novamente o metanol líquido como fonte de hidrogênio. 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 elétricos movidos a células de combustível. Até essa data, os engenheiros da empresa irão focar os seus esforços na otimização 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 eletricidade é simplificado porque não existe a necessidade da utilização de reformadores para a produção de hidrogênio 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 protônica e são alimentados a hidrogênio, metanol ou gasolina [Hirschenhofer et al., 1998].