Célula a Combustível PEMFC energia elétrica do hidrogênio

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29/07/2015 Célula a Combustível PEMFC energia elétrica do hidrogênio
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átomo do Hidrogênio
Estes  são  alguns  dos  componentes  principais  de  uma  Célula  a  Combustível  PEMFC  (Proton  Exchange
Membrane Fuel Cells) ou PEFC, seguidos da descrição dos papéis que atuam.
membrana de troca de íons
Fabricada  a  partir  de  um  material  polimérico,  comercialmente
conhecido como Nafion por exemplo, quando hidratada permite a
condução dos prótons  (íons H+) em seu  interior,  ela  também atua
como  isolante  elétrico  e  separadora  dos  gases  combustível  e
oxidante.
Estas  características  são  fundamentais  para  o  funcionamento  da
célula  a  combustível,  caso  a  membrana  polimérica  apresentasse
condutividade  elétrica,  os  elétrons  migrariam  por  ela,  ao  invés  de
pelo circuito externo, causando um curto­circuito na célula.
A condução dos  íons H+ no  interior do polímero é atingida graças a  forma como ele  foi engendrado. Ele
apresenta duas fases distintas. 1) estrutural e 2) responsável pela condução iônica. Estrutural: basicamente
seu esqueleto é composto por Teflon, que é insolúvel em água e quimicamente estável às várias substâncias
que  interagem  com  ele  nas  condições  de  pH  existentes  na  célula  (isto  é,  aos  vários  níveis  de  acidez)
Condução Iônica: nesta cadeia de Teflon existem grupos ácidos que  interagem com a água. Estes grupos
ácidos  proporcionam  íons  H+  livres  no  interior  do  polímero  e,  assim,  conduz  estes  íons  com  facilidade
quando o potencial elétrico surge no funcionamento da célula.
É fácil entender o funcionamento do Nafion. Soluções ácidas (ácido diluído em água) são boas condutoras
de  íons H+. Entretanto, um líquido não pode separar dois volumes de gás sem gerar novos problemas de
engenharia.  Para  contornar  estas  barreiras  tecnológicas,  criou­se  um  material  híbrido,  uma  espécie  de
suporte insolúvel que contém em seu interior grupos ácidos que formam pequenos núcleos de solução ácida
que mantêm a  característica  condutora de  íons H+ e,  ao mesmo  tempo, proporciona uma barreira  física
para a separação dos gases combustível e oxidante.
A  necessidade  de  se  manter  a  membrana  hidratada,  limitou  a  temperatura  de  operação,  à  pressão
ambiente, de células do tipo PEM a 100°C. Em termos práticos ela opera na faixa entre 80°C e 90°C,
eletro catalisador (eletrodos)
Devido à baixa  temperatura de operação da célula PEM (menor que 100°C) é necessário o uso de metais
Componentes de uma Célula a Combustível PEMFC ou PEFC
Célula a Combustível PEMFC ou PEFC 
energia elétrica a partir do hidrogênio
Uma  das  tecnologias  de  funcionamento  de  células  a  combustível  PEMFC  ou
PEFC é o acrônimo de 'célula a combustível de membrana de troca de prótons'.
Esta célula, recebeu seu nome pois seu componente principal é uma membrana
polimérica que separa os eletrodos e permite a passagem dos prótons (íons) e é
resistente à passagem da corrente elétrica, atuando como eletrólito.
Esta  tecnologia  de  célula  a  combustível  está  num  estágio  de  desenvolvimento
bem avançado, pois é reconhecida como a substituta dos motores de combustão
interna nos automáveis e ônibus.
Nesta  página  você  conhecerá  alguns  dos  componentes  principais  dela  e  também  seu  funcionamento  por
intermédio de uma animação.
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29/07/2015 Célula a Combustível PEMFC energia elétrica do hidrogênio
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nobres  ­como  a  platina  e  o  rutênio,  reduzidos  à  nano  partículas­
como catalisadores para se atingir elevadas correntes elétricas. Para
entender o porquê do uso de catalisadores, ou eletrocatalisadores, é
preciso compreender o que um catalisador faz e como o hidrogênio
e o oxigênio interagem.
Por definição, um catalisador é qualquer substância que aumenta a
velocidade  de  uma  reação  sem,  contudo,  ser  consumida  nela.  Na
célula  a  combustível,  o  hidrogênio  que  chega  no  ânodo  (eletrodo
negativo)  precisa  ser  adsorvido na  superfície  do  eletrodo  ­neste  processo,  eles  têm  sua  ligação quebrada,
separando  o  próton  do  elétron­  os  íons H+  (próton)  gerados  podem migrar  pela membrana,  chegar  ao
outro  lado  e  combinar­se  com  o  oxigênio,  formando  água  como  subproduto.  Caso  não  houvesse  um
catalisador, a ligação do hidrogênio seria difícil de ser quebrada e uma quantidade menor de íons H+ seria
gerada  no  mesmo  intervalo  de  tempo.  Em  consequência  uma  corrente  elétrica  muito  menor  seria
produzida (pois corrente elétrica é uma medida direta da velocidade das reações químicas envolvidas que a
geram).
Sabe­se  quecom  o  aumento  da  temperatura  há  um  aumento  exponencial  da  velocidade  de  uma  reação
química.  Por  isso  há  grande  interesse  em  membranas  modificadas  para  aumentar  a  temperatura  de
operação da célula, consequentemente a densidade elétrica e assim reduzir a quantidade de material nobre
necessário para a geração de correntes elétricas elevadas.
camadas porosas difusoras dos gases e condutoras de eletricidade
O Eletrodo  é  essencialmente  uma  fina  camada  catalítica  ­aplicada
por aerografia, por exemplo­ que precisa ser suportada por alguma
estrutura. Esta estrutura é a camada difusora de gases que, além de
suporte  mecânico,  também  atua  na  distribuição  homogênea  dos
gases na camada catalítica. E assim ela garante o  fornecimento de
combustível e oxidante a todos os pontos catalíticos.
É uma peça importante, já que a distribuição homogênea dos gases
é  fundamental  para  que  todas  as  áreas  catalíticas  participem  das
reações químicas. No atual estado da arte ela é composta por um tecido de carbono parcialmente teflonado
para se evitar que encharque e obstrua seus poros com água, dificultando a passagem do gás. Essa camada
também é responsável pela condução dos elétrons, que se originaram na quebra da ligação do hidrogênio
nos locais catalíticos, e são escoados por ela.
retentores
Sua função básica é impedir o vazamento dos gases reagentes para
o meio ambiente e separar as placas de apoio que, caso entrem em
contato, ocasionariam um curto circuito.
placas de apoio e fluxo dos gases
Sua principal função é fazer uma primeira distribuição dos gases ao
longo da  camada difusora. Possuem serpentinas usinadas em suas
faces, de modo a maximizar a distribuição dos gases e a retirada da
água gerada no processo de uniãoo do combustível com o oxidante.
Elas  também  são  responsáveis  por  manter  as  camadas  juntas,
prensadas entre elas. Estas peças, apesar de simples em sua forma,
são  um  desafio  de  engenharia  dos  materiais  e  processos  de
fabricação.  As  células  PEMFC  funcionam  conduzindo  íons  H+,
esses  íons  elevam  a  acidez  interna  da  célula,  resultando  em  um  ambiente  com  pH  próximo  a  zero  e
dificilmente  um  metal  resistiria  à  corrosão  neste  meio.  Outra  necessidade  das  placas  é  a  de  possuírem
elevada condutividade elétrica, já que elas recebem toda a corrente elétrica das camadas porosas difusoras.
A solução tecnológica disponível são placas feitas de carbono muito duras, difíceis de serem trabalhadas e
extremamente frágeis a impactos.
Existem  ligas metálicas  especiais  e  compósitos  de  carbono  flexíveis  que  são  candidatos  para  composição
destas peças, entretanto ainda são segredos industriais.
Engenharia do funcionamento de uma Célula a Combustível PEMFC
O combustível é  fornecido à célula no  lado do anodo na  forma de moléculas de H2  (gás hidrogênio). Por
uma  característica  que  o  torna  único,  o  átomo  de Hidrogênio,  em  seu  isótopo mais  comum,  não  possui
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29/07/2015 Célula a Combustível PEMFC energia elétrica do hidrogênio
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neutros.
Ao entrar em contato com o catalisador, a molécula do hidrogênio (H2) é dissociada em seus átomos numa
reação  exotérmica  (que  gera  calor)  e  cada  um  deles  perde  seu  único  elétron.  O  eletrólito  da  célula  a
combustível  é  uma  membrana  resistente  ao  fluxo  dos  elétrons  (eletricidade)  e  permeável  ao  ion  de
Hidrogênio  (próton), que migra para o  lado do  catodo que  é  abastecido  com o ar da atmosfera,  rico  em
Oxigênio.  Esta  migração  altera  o  equilíbrio  elétrico  da  célula,  forçando  os  elétrons  a  migrar  por  algum
caminho  de menor  resistência,  este  fluxo  de  elétrons  é  a  energia  que  utilizaremos  para  realizar  trabalho
(acender a lâmpada), a corrente elétrica.
No lado do catodo, uma molécula de oxigênio se dissocia em dois átomos deste elemento. Cada átomo de
oxigênio se associa a dois íons de hidrogênio e a dois elétrons formando uma molécula de água.
Aplicações
Esta tecnologia é, até o momento, indicada para aplicações onde o fornecimento de energia rápido (ela atinge a temperatura de operação
rapidamente)  e  a  impossibilidade  de  conviver  com  temperaturas  elevadas  são  desejáveis,  por  exemplo:  geradores  de  energia  para
aplicações móveis ou embarcadas:
móveis
bateria do notebook
brinquedos
embarcados
automóveis
ônibus
aviões
Fatos envolvendo Células a Combustível PEMFC
A membrana de troca de íons e os eletrocatalisadores são os 2 principais responsáveis pelo alto custo de produção das células a
combustível do tipo PEM.
Há uma engenharia de materiais enorme para reduzir a inundação dos poros no lado do catodo com a consequente obstrução do fluxo
de ar.
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