10.3.2 Componentes Básicos e Princípio de Funcionamento

Conforme já informado, as CaCs são dispositivos eletroquímicos que convertem diretamente a energia química do combustível em eletricidade por meio de reações de oxidação e redução, ou seja, sem que haja combustão. Basicamente, cada unidade individual de CaC, aqui denominada célula unitária, é formada por dois eletrodos porosos, anodo e catodo, e um eletrólito entre eles. O combustível é fornecido continuamente ao lado do anodo, e o oxidante, ao lado do catodo.

Como resultado da oxidação do combustível no anodo e da redução do oxidante no catodo, é gerada corrente elétrica. O combustível e o oxidante mais utilizados são, respectivamente, o hidrogênio (H2) e o oxigênio (O2) do ar.

Com o auxílio de catalisador, o H2 é oxidado no anodo, reação em que ele cede elétrons para o eletrodo e produz íons H+, que passam através do eletrólito rumo ao catodo. Novamente com o auxílio de catalisador, o O2 é reduzido no catodo, reação em que ele recebe elétrons do eletrodo e da qual participam os íons H+ oriundos do anodo, gerando água e calor. O eletrólito é composto de material que permite o fluxo de íons entre os eletrodos, mas impede a passagem de elétrons.

A figura 13 apresenta o esquema de operação das CaCs alimentadas com H2 e O2.

O excesso de elétrons no anodo e a falta deles no catodo produzem uma tensão elétrica nesses terminais, que pode ser utilizada para estabelecer corrente elétrica por um circuito externo à célula unitária, suprindo energia elétrica a uma carga externa. Por esse processo, que é isotérmico — não sofre, portanto, as limitações de eficiência de uma máquina de Carnot, máquina térmica que opera entre dois reservatórios de temperaturas determinadas e diferentes —, possui eficiência da ordem de 55% para a mistura hidrogênio-ar.

Verifica-se, então, que todo o processo de geração elétrica descrito envolve duas reações: uma de oxidação e outra de redução. Logo, o processo completo é composto pelo que a literatura especializada da área denomina reação global, e as reações que o compõem são meias-reações: a meia-reação de oxidação e a meia-reação de redução. Geralmente, a reação global de uma célula unitária é a formação de água a partir de hidrogênio e oxigênio. Dessa forma, por exemplo, em uma célula do tipo ácida — aquela com eletrólito ácido — cujo combustível é o hidrogênio, a reação global é a representada a seguir:

H2 + ½O2 → H2O (10.4)

Essa reação global é o resultado da combinação da meia-reação de oxidação que ocorre no anodo, representada na equação 9.5, e da meia-reação de redução que ocorre no catodo, representada na equação 9.6. Nessas equações, estão destacados em negrito os portadores de carga.

H2 → 2H+ + 2e – (10.5)

½O2 + 2H+ + 2e – → H2O (10.6)

Nos tipos de CaC em que há fluxo de íons positivos através do eletrólito, forma-se água no catodo; já nos tipos de CaC em que há fluxo de íons negativos através do eletrólito, a água é formada no anodo.

A corrente elétrica gerada é proporcional à área útil dos eletrodos, que são a interface entre os gases reagentes, o catalisador e o eletrólito e de importância fundamental para o bom desempenho da célula unitária. Os eletrodos, além de condutores elétricos, devem: (a) ser porosos para permitir a permeação dos gases até o eletrólito; (b) ter propriedades catalíticas para acelerar as reações eletroquímicas; (c) ser impermeáveis ao eletrólito, quando este for líquido, para que o eletrólito não afogue o eletrodo e impeça o acesso dos gases à zona de reação; e (d) ser construídos com material adequado. O papel de fibra de carbono é usualmente utilizado para essa função, pois é poroso, hidrofóbico, condutivo e não-corrosivo. Geralmente, o material do eletrodo é muito fino, para maximizar o transporte de gás e água.

O catalisador é responsável pela quebra da molécula de H2 em H+ e em e–. Ele é adicionado à superfície de cada eletrodo fazendo o contato com o eletrólito de forma a aumentar a taxa de reações químicas, mas não é consumido nesse processo. Geralmente, a platina é utilizada como catalisador por causa de sua alta atividade eletrocatalisadora, de sua alta estabilidade e de sua elevada condutividade elétrica. Porém, a platina é um metal muito caro, com o fato agravante de forte tendência de encarecimento, e tem participação significativa no custo final da célula. Em razão disso, os fabricantes procuram minimizar a quantidade de platina utilizada sem perder a eficiência no processo. Normalmente, a platina é utilizada em CaCs de temperaturas de operação baixas, entre 40 °C e 200 °C, nas tecnologias PEMFC e PAFC, que serão detalhadas adiante. Nas CaCs de temperaturas mais altas, entre 600 °C e 1.000 °C, não há a necessidade de se utilizar um excelente catalisador, pois as altas temperaturas já ativam grande número de reações. Nesses casos, ligas de materiais com níquel podem ser utilizadas como catalisadores eficientes e de baixo custo.

Uma vez que a tensão gerada por célula unitária é geralmente menor que 1 V, quando há a necessidade de potência e/ou tensão mais elevadas, as células unitárias são montadas em arranjos em série, conforme exemplificado na figura 14.

Entre os pares de células unitárias, são colocadas placas bipolares, também chamadas de placas separadoras. Estas possuem canais para a distribuição de gases, em desenho de serpentina, nas duas faces. O desenho dos canais de fluxo de gases é fundamental para a geração uniforme de potência, a estabilidade da célula e o correto gerenciamento do produto água. Diferentes tipos de desenhos para esses canais estão associados aos vários tipos de aplicações. As placas abastecem de combustível o anodo e de oxidante o catodo de duas células unitárias adjacentes, retiram os gases reagidos e a água formada, coletam e transmitem a corrente elétrica de uma célula unitária para outra contígua para que a energia de todas as células unitárias flua para a carga externa, por meio de conexão elétrica adequada. As placas são geralmente feitas de grafite ou de metais. O grafite é o material preferido devido às suas características de excelente condutividade elétrica, baixa taxa de contaminação sofrida e relativo baixo custo. Todavia, ele é quebradiço e poroso.

Na figura 14, a MEA é o conjunto membrana-eletrodo, constituída, na realidade, por um eletrólito entre dois eletrodos de carbono poroso com catalisador integrado entre cada um dos eletrodos e a respectiva face do eletrólito. Desse modo, cada MEA é uma célula unitária mencionada anteriormente; com três dessas células unitárias, formou-se o arranjo mostrado.

Quando se deseja aumentar a potência disponível, esses arranjos de células unitárias podem ser conectados em paralelo, formando o que se denominam módulos, que, por sua vez, ainda podem ser agrupados em paralelo para formarem uma CaC completa, com potência e tensão nominais desejadas.

Além dos componentes já mencionados, utilizam-se sensores e componentes eletrônicos para o monitoramento e o controle da CaC. Muitas vezes, também há a necessidade de se utilizarem umidificadores para os gases reagentes, para que ocorra uma melhor condução dos íons dentro da célula, e reformadores, para extrair o hidrogênio do combustível.