10.3 CÉLULAS A COMBUSTÍVEL

10.3.1 Aspectos Gerais

Há diversos nomes utilizados na literatura nacional para designar o mesmo equipamento: célula a combustível, célula combustível — tradução literal do termo inglês fuel cell —, célula de combustível e pilha a combustível, com predomínio do primeiro. Neste trabalho, será utilizado o termo célula a combustível (CaC) por ser considerado o mais adequado do ponto de vista lingüístico para o caso.

A descoberta do princípio de funcionamento de uma CaC ocorreu há mais de 160 anos. Em 1839, um cientista britânico, William Robert Grove (1811 – 1896), conhecendo o fato de que a passagem de corrente elétrica através de água produzia os gases hidrogênio e oxigênio, conseguiu produzir o processo inverso: combinou hidrogênio e oxigênio para produzir eletricidade e água.

Apesar das várias tentativas feitas por diversos cientistas no decorrer do tempo, os primeiros experimentos bem-sucedidos com CaCs foram realizados nos anos 30 do século XX, quando o engenheiro inglês Francis Thomas Bacon (1904 – 1992) desenvolveu CaCs de eletrólito alcalino. Todavia, apenas em 1959 Bacon conseguiu fazer funcionar uma CaC de 5 kW, capaz de alimentar uma máquina de solda. A partir desse momento, o apoio da National Aeronautics and Space Administration (NASA), a agência espacial dos EUA, foi decisivo no desenvolvimento dessa tecnologia: a NASA precisava de um gerador elétrico compacto, eficiente e que utilizasse um combustível leve e com grande densidade de energia — o hidrogênio —, para as missões espaciais tripuladas que estavam para acontecer. Com isso, as CaCs fizeram parte dos projetos Gemini e Apollo. Desde então, entidades governamentais e empresas privadas do mundo inteiro dedicam-se ao estudo e à pesquisa para a utilização de CaCs em motores de veículos e em unidades estacionárias de geração elétrica, entre outras aplicações.

De modo simplificado, as CaCs são equipamentos que utilizam a combinação química entre combustível e oxidante para gerar energia elétrica. Então, é correto concluir que as CaCs têm o mesmo princípio basilar de funcionamento das baterias: são dispositivos que produzem energia elétrica a partir de reações eletroquímicas, sem a necessidade de combustão ou de dispositivos rotativos. Além disso, as CaCs assemelham-se às baterias quanto à possibilidade de empilhamento de elementos em conjuntos maiores. No caso das CaCs, com tensão por elemento da ordem de 1 V, a tensão na saída de um conjunto de elementos pode, em princípio, ser elevada a qualquer valor.

Entretanto, há diferenças: na bateria, a energia é acumulada nos componentes existentes no interior dela, pois ela contém o combustível e o oxidante dentro do próprio invólucro; na CaC, a energia elétrica é produzida enquanto for mantido o fluxo dos reagentes, não existindo acumulação de energia no interior dela. Desse modo, ao contrário do que ocorre com as baterias, as CaC não são exauríveis e não necessitam de recarga.

O processo que se desenvolve em uma CaC é exatamente o inverso do que ocorre na eletrólise da água — a hidrólise; por isso, a CaC e o hidrolisador, aqui chamado simplesmente de eletrolisador, são dispositivos duais entre si, conforme mostrado na figura 11.

Ao contrário do que ocorre nas máquinas e motores convencionais, as CaCs convertem a energia química do combustível diretamente em energia elétrica sem que haja combustão. Conseqüentemente, as CaCs são capazes de produzir energia elétrica com maior eficiência, pois apresenta um estágio de conversão a menos; mais silenciosamente, pois não utiliza explosão nem rotação; e sem poluição, pois possui como produtos da operação apenas eletricidade, água e calor. A figura 12 esquematiza a diferença entre esses dois processos de geração elétrica.

Existem, pelo menos, seis tecnologias principais diferentes que permitem às CaCs combinarem combustível e oxidante. Mas todas elas têm base no mesmo princípio de funcionamento: de um lado da célula, entra o combustível, do outro, entra o oxidante; no meio, entre os eletrodos, existem o eletrólito e o catalisador, que são os responsáveis pelas reações eletroquímicas. De acordo com a tecnologia utilizada, as CaCs podem variar de tamanho, temperatura de operação, combustível, eletrólito e aplicações, sendo que o nome de cada tecnologia está geralmente vinculado ao tipo de eletrólito ou de combustível utilizado. O tipo de eletrólito normalmente determina a temperatura de operação da CaC, e cada tipo de tecnologia requer materiais e combustível particulares, possui vantagens e desvantagens, além de ter aplicação direcionada.