10.4.1 CaC Alcalina (AFC)

As AFCs utilizam como eletrólito solução aquosa de hidróxido de potássio (KOH) e operam com eficiência de 50% a 60%. A reação de oxidação em eletrólitos alcalinos é mais rápida que em eletrólitos ácidos, o que torna viável a utilização de metais não-nobres, e mais baratos como catalisadores. A maior desvantagem desse tipo de célula reside no fato de os eletrólitos alcalinos reagirem com o CO2, restringindo o emprego desse tipo de célula a aplicações em que o oxigênio e o hidrogênio puros são utilizados como reagentes.

As AFCs não requerem materiais de alto custo na sua construção. Pela grande compatibilidade com muitos materiais, têm vida longa, tendo-se já registrado períodos de operação superiores a 15.000 h. Não obstante o seu alto custo, elas têm-se mostrado viáveis para aplicações estratégicas, como missões espaciais, submarinas e militares. O aumento do interesse nesse tipo de CaC para aplicações terrestres móveis e estacionárias está vinculado ao desenvolvimento de componentes de baixo custo para sua viabilização econômica.

10.4.2 CaC de Membrana Polimérica (PEMFC)

Nas PEMFCs, o eletrólito consiste em uma membrana polimérica fluorada e condutora de prótons. A temperatura de operação dessas CaCs é de cerca de 80 °C, o que permite a partida rápida — desejável para aplicação automotiva —, por causa do menor tempo necessário ao aquecimento do eletrólito. Devido ao mecanismo de condução iônica operante na membrana polimérica que compõe o eletrólito, o desempenho desta CaC depende do estado de umidificação da membrana: a desidratação da membrana diminui a sua condutividade elétrica; por outro lado, o excesso de água pode causar o afogamento dela, impedindo o fluxo de gases, principalmente o do oxigênio no anodo. A necessidade de umidificação da membrana impede a operação acima da temperatura de 100 °C, a não ser que a PEMFC seja pressurizada a mais de 1 atm, condição em que a temperatura de ebulição da água é mais elevada.

Nas PEMFCs, os eletrodos e o eletrólito são produzidos em um único conjunto conhecido como membrane electrode assembly (MEA), já apresentada na figura 14, em que cada componente é o mais fino possível para proporcionar o caminho mais curto para os gases e para reduzir a resistência ôhmica da membrana. A espessura final deve considerar a resistência mecânica do conjunto e a impermeabilidade da membrana aos gases.

Por serem mais eficientes e não provocarem o desprendimento de gases poluentes, essas células são aplicadas na indústria automobilística em substituição aos motores de combustão interna e tem-se mostrado solução bastante promissora para aplicações estacionárias, como em centrais de co-geração. Porém, para a disseminação do uso das PEMFCs, será necessário reduzir o custo de produção delas: os componentes mais caros são o eletrólito de membrana polimérica, as placas separadoras — feitas de grafite de alta densidade e com alto custo de usinagem — e os eletrodos — devido aos catalisadores à base de platina. Além disso, esse tipo de célula está sujeita à contaminação pelo monóxido de carbono e requer resfriamento e controle do vapor de exaustão para operar adequadamente.

Segundo especialistas de todo o mundo, de todas as tecnologias existentes hoje para as CaCs, a PEMFC deve ser a vencedora, para aplicações comerciais gerais, pelas seguintes razões: (a) a possível redução dos custos de produção; (b) a modularidade; (c) a temperatura de operação, adequada a muitas aplicações de pequeno porte; (d) o desenvolvimento e o barateamento da tecnologia para aplicações estacionárias em função da aplicação pela indústria automobilística; (e) a rápida resposta; (f) juntamente com a SOFC, possui a maior relação energia gerada por volume de combustível consumido.