Contenido

Aunque parezca algo muy reciente, la historia de las pilas de combustible comenzó hace casi dos siglos, en 1838,[6]​ con los primeros estudios del científico Christian Friedrich Schönbein en Suiza y, paralelamente, con los del físico y jurista galés Sir William Robert Grove sobre baterías gaseosas, cuyos resultados publicaría en 1843. Hoy en día, se continúa con el empleo de estas células en diversas aplicaciones, tanto portátiles (ejemplo: teléfonos móviles) como estacionarias (ejemplo: generación de energía para edificios), así como en diversos medios de transporte (desde submarinos hasta vehículos particulares). Sin embargo, su desarrollo ha atravesado periodos de olvido, debido a las numerosas dificultades técnicas que presentan en comparación con otros métodos de obtención de electricidad. El interés por las células de combustible, y por tanto su desarrollo, se ha dado en periodos de escasez de recursos energéticos - por ejemplo, la crisis del petróleo de 1973 que precipita el desarrollo de tecnologías alternativas de energía, incluyendo las células de combustible[7]​ -. Esto se debe a que estas células, comparadas con otros dispositivos, tienen mayor eficiencia energética y por tanto necesitan menos combustible para producir la misma energía.

1843

A figura mostra o dispositivo apresentado à comunidade científica por William Robert Grove em sua publicação "On the Gas Voltaic Battery".[8]​[9]​ Para sua preparação, ele utilizou dois eletrodos de platina imersos em ácido sulfúrico, que alimentou com oxigênio e hidrogênio, respectivamente. A partir da dissociação do H2SO4, a redução ocorreu no eletrodo alimentado com O2 (cátodo), que reagiu com os íons H+ formando água. Nessa reação estiveram envolvidos elétrons, que foram gerados no ânodo durante a oxidação do H2, que reagiu com o íon SO42- para formar ácido sulfúrico[2]. Grove conectou eletricamente cinquenta dessas células, gerando potencial suficiente para produzir a reação de eletrólise da água.

1882

O físico britânico Lord Rayleigh melhorou esta configuração original. Rayleigh interessou-se pelo trabalho de Grove e em 1882 apresentou uma nova versão mais eficiente, devido ao aumento da superfície de contato entre a platina, os gases reativos e o eletrólito.[10]​.

Ludwig Mond e Charles Langer usaram pela primeira vez o termo "célula de combustível" para se referir a este tipo de dispositivo. Em 1889, estes dois cientistas fizeram um grande avanço, resolvendo o problema associado à imersão dos eléctrodos no electrólito líquido e, portanto, a dificuldade de acesso dos gases reactivos aos pontos activos. Seu protótipo permitiu que o eletrólito ficasse retido em uma matriz sólida não condutora, cuja superfície era coberta por uma fina camada de platina ou ouro.[10]​.

Décadas de 1950 e 1960

Em meados do século, o desenvolvimento tecnológico destes dispositivos conheceu um grande progresso. Em 1954, o cientista inglês Francis Thomas Bacon construiu uma usina de 5 kW usando uma célula de combustível alcalina. A célula consistia em um ânodo de níquel, um cátodo de óxido de níquel-lítio e um eletrólito de hidróxido de potássio concentrado a 85%. Foi abastecido com hidrogênio e oxigênio.[11] Esta bateria era capaz de alimentar uma máquina de solda. Na década de 1960, as patentes de Bacon (licenciadas por Pratt e Whitney nos Estados Unidos – pelo menos a ideia original) foram usadas no programa espacial dos Estados Unidos para fornecer eletricidade e água potável aos astronautas, a partir do hidrogênio e do oxigênio disponíveis nos tanques da espaçonave.

Em 1959, uma equipe liderada por Harry Ihrig construiu um trator baseado em célula de combustível de 15 kW para a Allis-Chalmers. Foi exibido nos EUA em feiras estaduais. Este sistema usava hidróxido de potássio como eletrólito e hidrogênio comprimido e oxigênio como reagentes.

Paralelamente à Pratt & Whitney Aircraft, a General Electric desenvolveu a primeira pilha de membranas de troca de prótons (PEMFCs) para as missões espaciais Gemini da NASA. A primeira missão a usar PEFCs foi Gemini V. No entanto, as missões do Programa Apollo e as subsequentes missões Apollo-Soyuz, Skylab e ônibus espaciais usaram células de combustível baseadas no projeto Bacon, desenvolvido pela Pratt & Whitney Aircraft.[13]​.

Décadas de 1970 e 1980

Entre 1970 e 1980, como consequência da crise do petróleo e da procura de tecnologias energéticas alternativas, foram realizadas pesquisas sobre o desenvolvimento dos materiais necessários, a identificação de fontes ótimas de combustível e a redução drástica do custo da tecnologia associada às células de combustível.

Durante a década de 1980, o uso de células a combustível começou a ser testado em concessionárias e também na fabricação de automóveis. Na década de 1990, grandes células de combustível estacionárias (fixas) foram desenvolvidas para instalações comerciais e industriais.

1993 e 2007

Em 1993, a empresa canadense Ballard desenvolveu o primeiro veículo comercial com célula de combustível, utilizando tecnologia PEM.

Em 2007, as células a combustível são comercializadas para aplicações estacionárias e auxiliares. Em 2008, a Honda inicia as vendas de um veículo elétrico baseado em célula de combustível, o FCX Clarity. Nesse mesmo ano, o Prémio Nobel da Química foi atribuído a Gerhard Ertl, cujos estudos revelaram o funcionamento das células de combustível.

A Panasonic foi a primeira empresa no mundo a vender células de combustível para uso doméstico. Desde o seu lançamento (maio de 2009) até setembro de 2013, vendeu 31.000 unidades no Japão.[15]​.

2013

Em 2013, é apresentada uma célula de combustível que poderá representar a transição para baterias acessíveis. A empresa britânica "ACAL Energy" desenvolveu uma célula de combustível que alcançou um tempo de funcionamento de 10.000 horas em testes de resistência de célula de combustível[16]​ usando sua tecnologia FlowCath. Ao contrário de um projeto convencional de célula de combustível de hidrogênio, a tecnologia FlowCath da ACAL não depende da platina como catalisador, oferecendo uma alternativa de custo potencialmente mais baixo. Substituiu a platina por um catalisador líquido patenteado, que atua como refrigerante e catalisador para as células e melhora radicalmente a durabilidade da célula de combustível, ao mesmo tempo que reduz o custo do sistema.[17]​.

2014 - Presente

A última década assistiu à consolidação comercial da tecnologia e a um foco crítico na sustentabilidade. Os veículos com célula de combustível (FCEV), como o Toyota Mirai (2014) e o Hyundai Nexo (2018), estabeleceram um nicho de mercado, embora com volumes modestos em comparação com os veículos elétricos a bateria.[18]​.

O maior avanço conceitual foi a virada para o hidrogênio verde, produzido com energia renovável, reconhecido como essencial para que a tecnologia seja verdadeiramente limpa. Isto impulsionou estratégias nacionais na UE, no Japão e na Coreia do Sul.[19]​.

As aplicações mais promissoras estão agora no transporte pesado. Caminhões, ônibus urbanos e os primeiros trens de passageiros com células de combustível, como o Coradia iLint da Alstom na Alemanha, estão sendo implantados, substituindo frotas a diesel em linhas não eletrificadas.[20]​.

El funcionamiento de la pila de combustible es similar al de una batería. Se obtiene electricidad a partir de sustancias que reaccionan químicamente entre sí. Sin embargo, mientras que las baterías tienen una capacidad limitada de almacenamiento de energía, la pila de combustible está diseñada para permitir un abastecimiento continuo de los reactivos. Además, los electrodos de la pila de combustible actúan también como catalizadores de las reacciones químicas de oxidación/reducción.

Existen tipos muy distintos de pilas de combustibles. Para explicar su funcionamiento básico, se toma como ejemplo una de las más comunes, la denominada PEM (de membrana de intercambio protónico, en inglés Proton Exchange Membrane). El esquema básico de la celda unitaria de una pila PEM se muestra en la figura de la derecha. Consta de dos electrodos: el ánodo (donde se oxida el combustible) y el cátodo (donde el oxidante o comburente se reduce). El electrolito actúa simultáneamente como aislante eléctrico, conductor protónico y separador de las reacciones que tienen lugar en el cátodo respecto a las que tienen lugar en el ánodo. Debido a lo anterior, los electrones viajan desde el ánodo hasta el cátodo a través de un circuito externo, generando una corriente eléctrica, mientras que los protones lo hacen a través del electrolito. En el cátodo, los electrones, protones y el comburente se reducen, dando lugar a los productos. La reacción es exotérmica y, aunque es espontánea, suele ser muy lenta como para ser operativa sin la presencia de catalizadores. De hecho, lo más común es que los propios electrodos se utilicen como catalizadores. En este tipo de pilas se suele utilizar hidrógeno como agente reductor y oxígeno como oxidante.

Es importante mencionar que, para que los protones puedan atravesar la membrana, esta debe estar convenientemente humidificada, porque la conductividad protónica de las membranas poliméricas utilizadas en este tipo de pilas depende de la humedad de la membrana. Por lo tanto, es habitual humidificar los gases previamente al ingreso a la pila.

Además de hidrógeno puro, también se tiene el hidrógeno contenido en otras moléculas de combustibles incluyendo el diésel, metanol (véase DMFC")) y los hidruros químicos. El residuo producido por este tipo de combustibles además de agua es dióxido de carbono, entre otros.

Las pilas de combustible se pueden clasificar en función del electrolito y del combustible elegido, lo que a su vez determina el tipo de reacciones que se llevarán a cabo en los electrodos y los tipos de iones que la corriente transportará a través del electrolito.

Hoy en día, la mayoría de las células de combustible en desarrollo utilizan hidrógeno o gases sintéticos ricos en hidrógeno. El hidrógeno tiene una alta reactividad y puede obtenerse de formas muy diversas tanto a partir de combustibles fósiles o renovables, como a partir de un proceso electrolítico. Por razones prácticas, el oxidante más común es el oxígeno gaseoso, debido a su alta disponibilidad. Una ventaja de utilizar la combinación de hidrógeno con oxígeno, es que el único producto de la reacción es agua. Por esto, esta combinación es muy utilizada en aplicaciones espaciales. Además, oxígeno y el hidrógeno pueden almacenarse criogénicamente de forma compacta.

La diferencia de potencial generada por una sola unidad o monocelda es inferior a un voltio, por lo que hay que conectar en serie varias mono-pilas para obtener las tensiones adecuadas para las aplicaciones más comunes. Por lo tanto, en la práctica se utilizan sistemas de pilas de combustible.

Variedade

A tensão da célula depende da corrente de carga. Em circuito aberto, é de 1,2 volts. Para criar tensão suficiente, as células são agrupadas combinando-as em série e paralelo, no que em inglês é chamado de "Fuel Cell Stack". Geralmente, são utilizados mais de 45, embora variem dependendo do design.

Materiais

Os materiais usados ​​nas células de combustível variam dependendo do tipo. Consulte Tipos de células de combustível.

Eletrodos/placas bipolares são geralmente feitos de metal, níquel ou nanotubos de carbono e são cobertos por um catalisador (como platina ou paládio) para obter maior eficiência.

O eletrólito pode ser uma membrana eletrolítica de polímero cerâmico ou híbrido. Isto consiste em dois polímeros diferentes. Eles são dispostos de tal forma que ambos constituem uma estrutura onde um dos polímeros (que é um polímero de siloxano) atua como base perfurada para que o outro (um eletrólito polimérico) possa distribuir as perfurações em forma de canais.

Considerações de projeto em células de combustível

• - Custos. Em 2002, as células típicas tinham um custo devido ao catalisador de €850 (aprox. 1000 USD) por quilowatt de energia eléctrica útil; no entanto, espera-se que, antes de 2007, seja reduzido para cerca de 25 euros (aproximadamente 30 dólares) por quilowatt [3]. Utilizando um catalisador enriquecido com seda de carbono, Ballard conseguiu uma redução de 30% (1 mg/cm² para 0,7 mg/cm²) na quantidade de platina, sem reduzir seu desempenho (informações de 2005)[4].

• - Gestão da água nos PEMFCs. Neste tipo de célula a combustível, a membrana deve ser hidratada, exigindo que a água evapore exatamente na mesma proporção em que é produzida. Se a água evaporar muito rapidamente, a membrana seca, a resistência através dela aumenta e ela irá rachar, criando um “curto-circuito” de gás onde o hidrogênio e o oxigênio se combinam diretamente, gerando calor que danificará a célula de combustível. Se a água evaporar muito lentamente, os eletrodos inundarão, impedindo que os reagentes cheguem ao catalisador e a reação irá parar. Um dos objetivos mais importantes na pesquisa com células de combustível é o gerenciamento adequado da água.

• - Gerenciamento de temperatura. A mesma temperatura deve ser mantida em toda a célula para evitar a destruição da célula devido à fadiga térmica.

• - Controle de fluxo. Tal como num motor de combustão, uma relação constante entre o reagente e o oxigénio deve ser mantida para que a célula funcione eficientemente.

• - Durabilidade, vida útil e requisitos especiais para determinados tipos de células. Os usos estacionários normalmente requerem mais de 40.000 horas de operação confiável entre -35°C e 40°C, enquanto as células de combustível automotivas requerem pelo menos 5.000 horas (o equivalente a cerca de 200.000 quilômetros) sob temperaturas extremas. (Veja: Veículo a hidrogênio). Além disso, as aplicações automotivas devem permitir partida a frio até -30°C e ter alta potência por unidade de volume (normalmente 2,5 kW por litro).

• - Tolerância limitada ao CO (monóxido de carbono).

Célula unitária

A célula unitária ou monocélula é o elemento básico de um sistema baseado em célula de combustível. Os elementos que o compõem são descritos a seguir:

• - Eletrólito. É ao mesmo tempo condutor iônico, isolante elétrico e separador de cátodo e ânodo. Dependendo do estado de agregação do eletrólito, podemos encontrar dois tipos de combustível. Assim, segundo Appleby e Foulkes,[21]​ temos:

• Células de combustível de eletrólito líquido. Nesse tipo, os eletrodos são porosos e o eletrólito fica em contato com eles, encharcando pequenas áreas. Os reagentes gasosos se difundem através de uma fina camada de eletrólito e reagem eletroquimicamente nas superfícies do eletrodo. A quantidade de eletrólito que o eletrodo pode conter é limitada. Portanto, o excesso de líquido poderia impedir o transporte de espécies gasosas e também as reações necessárias à obtenção de energia.

• Células de combustível de eletrólito sólido. Este tipo contém um elevado número de catalisadores na interface, que devem ser conectados eletricamente e ionicamente aos eletrodos e ao eletrólito, respectivamente, e que também são eficientemente expostos aos reagentes gasosos.

• - Eletrodos. As reações eletroquímicas ocorrem na superfície dos eletrodos. O combustível é oxidado no ânodo e o oxigênio é reduzido no cátodo. Os eletrodos são geralmente porosos, para permitir a difusão gasosa (embora existam alguns não porosos[22]​). Desta forma, pode-se estabelecer um bom contato entre as três fases que participam da reação (a fase sólida do eletrodo, a fase gasosa do combustível e a fase líquida ou sólida do eletrólito). As principais funções dos eletrodos são:

• Conduza ou desaloje íons da interface ternária.

• Certifique-se de que os reagentes gasosos estejam distribuídos uniformemente no eletrólito.

• Certifique-se de que os produtos da reação sejam transportados de forma eficiente para a fase gasosa.

Pilhas

Como a diferença de potencial gerada por uma única célula a combustível é pequena (aproximadamente 0,7 volts), na prática várias são combinadas em série para atingir a tensão de saída apropriada para a aplicação desejada. Logicamente, as interligações entre as células unitárias são feitas utilizando materiais com alta condutividade elétrica. Entre os numerosos tipos de pilhas possíveis, as mais comuns são as de estrutura plana, embora também existam as tubulares.

Em pilhas de estruturas planas, normalmente são incluídos elementos conhecidos como "placas bipolares" (ver Células de Combustível (animações)). Eles consistem em duas placas separadoras localizadas nas extremidades do sistema. através do qual as conexões são feitas. Um atua como ânodo e outro como cátodo. Além disso, estas placas separam o combustível e o oxidante das células adjacentes, proporcionando por sua vez um excelente meio para fornecer estes reagentes. Em muitos projetos, as placas incluem canais (veja a figura à direita) que permitem a distribuição uniforme do fluxo de gás sobre as células. Esse projeto é bastante simples eletricamente: o caminho que a corrente elétrica percorre é relativamente curto e, portanto, oferece pouca resistência à passagem de elétrons e, consequentemente, pouca queda de tensão.

Outro tipo de empilhamento, especialmente indicado para células a combustível que trabalham em altas temperaturas (como a de óxido sólido-SOFC), consiste em uma configuração tubular (figura à esquerda). Esses tipos de baterias geralmente usam um material cerâmico sólido, como óxido de zircônio estabilizado com óxido de ítrio, como eletrólito, em vez de um líquido ou membrana de troca.

Sistemas baseados em células de combustível

Embora a própria célula de combustível seja o componente principal, um sistema baseado em célula de combustível deve incluir outros subsistemas e componentes, conhecidos como equilíbrio da planta (BOP). Um sistema baseado em células de combustível é então formado por uma pilha de células de combustível e um BOP, devidamente combinados.

Existe uma grande variedade de configurações para este tipo de sistema. Na verdade, a composição e disposição precisas dos elementos do BOP dependem em grande parte do tipo de célula de combustível, da temperatura de funcionamento, do combustível escolhido e da aplicação para a qual é utilizada. Além disso, as condições operacionais específicas e os requisitos do projeto individual de células e pilhas determinam as características do BOP.

Contudo, mesmo tendo em conta a diversidade e flexibilidade destes sistemas, é aconselhável mostrar pelo menos um exemplo dos componentes (ou etapas) que compõem um sistema baseado em células a combustível. A figura mostra um esquema de um sistema genérico baseado em células a combustível. Como pode ser observado, na primeira etapa, o combustível (hidrogênio, gás natural, metano, etc.) é introduzido no reformador no qual, através de uma transformação química, é produzido um gás rico em hidrogênio conhecido como “reformado” e como subproduto, o monóxido de carbono com nível de concentração inferior a 50 ppm.

A próxima etapa ocorre no sistema de purificação de gases, onde são eliminadas quaisquer impurezas que o produto reformado possa conter. Uma vez purificado, o hidrogênio está pronto para ser introduzido na célula a combustível. Nesta etapa, a energia elétrica é gerada através da reação eletroquímica com o oxigênio. O calor gerado na reação pode ser usado para pré-aquecer o combustível. No caso de células a combustível que operam em altas temperaturas (entre 600-1000 °C), o calor gerado poderia ser investido em cogeração, ou seja, pode ser utilizado para acionar turbinas a gás e gerar mais eletricidade, para unidades de dessulfurização, geração de produtos químicos, etc.[23]​.

Actualmente existe una gran variedad de pilas de combustible en diferentes etapas de desarrollo. Por ello, se pueden clasificar atendiendo a numerosas características. Las más comunes son las siguientes:[24]​.

1. • Según el tipo de combinación de combustible y oxidante. Los combustibles típicos son el hidrógeno molecular y el metanol, y normalmente oxígeno o aire como oxidante. Pero como se ha visto en la figura 2.4, se pueden alimentar con una amplia variedad de combustibles, como hidrógeno, metanol, biomasa, gasolina, carbón, etc.

2. • Según el tipo de electrolito usado. Por ejemplo: ácido fosfórico, membrana de polímero sólido, solución alcalina, etc.

3. • Según la temperatura de operación. Por un lado, tenemos pilas de combustible de baja o media temperatura (con temperaturas inferiores a 200 °C), como las PEM, las AFC y las PAFC. Por otro, las de alta temperatura, que sobrepasan los 600 °C, como las MCFC y las SOFC. Según la fuente que se consulte, los rangos son ligeramente distintos, por lo que esta clasificación no es estricta.

4. • Según su eficiencia. En este caso, el rango es distinto dependiendo del tipo de pila y del tipo de aplicación en la que se utilice. Por ejemplo, para una PEM tiene una eficiencia en torno a un 40%[24]​ en aplicaciones estacionarias y en torno a un 60% en aplicaciones para el transporte.

5. • Según el tipo de uso. Aplicaciones portátiles, estacionarias, de transporte, militares, espaciales, etc.

6. • Según su potencia. Pilas de baja potencia (alrededor de 5 kW en el caso de las DMFC, por ejemplo) y de alta potencia (100 kW a 2 MW en las SOFC, por ejemplo).[25]​.

7. • Según el catalizador utilizado. Típicamente, platino, metales no preciosos o el propio material de los electrodos. También pueden ser de paladio.[26]​.

La forma más usual de clasificación es por el tipo de electrolito que utilizan. Se pueden entonces establecer,[24]​ cinco tipos principales de pilas, que se describen a continuación.

Célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEM)

• - Eletrólito: membrana de polímero sólido.

• - Catalisador: platina.

• - Temperatura de operação: em torno de 80-95 °C.

• - Eficiência elétrica: 40-60%.

Os PEMs operam em temperaturas relativamente baixas, possuem alta densidade de potência e podem variar rapidamente sua produção de potência para se adaptarem à demanda de energia. Existem PEMs com potências que variam entre alguns watts e vários quilowatts, portanto podem ser usados ​​em uma infinidade de sistemas. Assim, até 2013 a potência máxima alcançada com uma central estacionária (instalação de energia fixa) do tipo PEM é de 1 MW, e foi instalada pela empresa japonesa Honda[6].

Os sistemas de células de combustível do tipo PEM são adequados para aplicações que exigem resposta operacional rápida. Assim, são utilizados nos mais diversos sistemas que se concentram no mercado de telecomunicações (industrial e doméstico) e em veículos de transporte de materiais, como empilhadeiras. São também utilizados em autocarros e espera-se que entre 2014-2016 possam ser comercializados veículos de passageiros (automóveis de passageiros como o mostrado na figura) da PEM. Os PEMs podem usar hidrogênio, metanol ou combustíveis reformados como combustível.

Nos PEMs, o eletrólito é uma membrana polimérica sólida contendo ácidos sulfônicos perfluorados e deve ser mantido totalmente hidratado durante a operação para promover a condução de prótons. Este requisito limita a temperatura de operação abaixo de 100 °C e é essencial para obter uma boa eficiência. Como a água é o único líquido utilizado, os problemas de corrosão são mínimos.[25]​.

Os principais desafios atuais no desenvolvimento deste tipo de baterias são: reduzir custos e aumentar a eficiência (o que se traduz na redução da espessura da camada catalítica de platina e na otimização da dispersão do catalisador); melhorar o desempenho da membrana polimérica (aumentar a condutividade iônica e a capacidade de retenção de água); e encontrar um material alternativo ao grafite para a placa bipolar que seja de alta condutividade elétrica e térmica, resistente à corrosão, mais leve e mais barato.[25]​.

Membrana de troca de prótons de alta temperatura (PEM de alta temperatura ou HT-PEM).

HT-PEMs são, em essência, PEMs que podem operar em altas temperaturas, entre 120 °C e 200 °C. Geralmente são utilizados em veículos e, menos comumente, para fornecer energia a edifícios. Os HT-PEM integram frequentemente um reformador (ou seja, um dispositivo capaz de reformar combustíveis fósseis ou álcoois em gás sintético constituído principalmente por hidrogénio e monóxido de carbono), o que permite que sejam alimentados com uma maior variedade de combustíveis.

Célula de combustível de metanol (DMFC)

• - Eletrólito: membrana de polímero sólido.

• - Catalisador: Platina.

• - Temperatura de operação: em torno de 50-120 °C.

• - Eficiência elétrica: acima de 40%.

Assim como os PEMs, os DMFCs usam uma membrana polimérica como eletrólito. Porém, em sistemas DMFC não é necessário que o combustível passe por um reformador, uma vez que o próprio ânodo catalisador extrai hidrogênio do metanol líquido. Como a temperatura mínima de operação deste tipo de bateria é baixa, o DMFC pode ser usado em pequenas aplicações, como telefones celulares (veja a figura à direita), laptops e carregadores de bateria para outros produtos eletrônicos [7] Arquivado em 14 de julho de 2014 no Wayback Machine., e também em aplicações de médio porte para alimentar a eletrônica de barcos ou cabines.

Neste tipo de baterias, o desafio é encontrar uma membrana que permita trabalhar a temperaturas superiores a 130 °C e que não apresente problemas de “crossover” (passagem do reagente anódico para o compartimento catódico através da membrana) e encontrar um catalisador anódico mais ativo para a oxidação direta do metanol.[25]​.

Células de Combustível Alcalinas (AFC)

• - Eletrólito: solução de hidróxido de potássio em água.

• - Catalisador: uma grande variedade de metais não preciosos pode ser usada.

• - Temperatura de operação: entre 105-245⁰C.

• - Eficiência elétrica: 60-70%.

O combustível e o oxidante usados ​​nos AFCs devem ser hidrogênio e oxigênio puros. Na verdade, o CO2 (ou CO) reage com o KOH e forma-se carbonato de potássio, o que reduz bastante a eficiência da célula a combustível.[25]​ Mesmo com pequenas concentrações (10 a 100 ppm) ocorre "envenenamento" da célula por monóxido ou dióxido de carbono.[27]​ Por esse motivo, eles são usados ​​principalmente no setor aeroespacial e em ambientes subaquáticos, figura 2.15.

A concentração do eletrólito é de cerca de 35-50% para temperaturas de operação abaixo de 120 °C, e pode operar a 250 °C quando a concentração é de 85%.[25]​.

Essas baterias são as que oferecem o maior desempenho. É uma das razões pelas quais são utilizados na exploração espacial, uma vez que o combustível deve ser colocado em órbita e a massa a ser elevada deve ser ótima. A NASA usa AFCs movidos a hidrogênio em missões espaciais desde 1960 para fornecer eletricidade e água potável.[28]​.

Célula de combustível de ácido fosfórico (PAFC)

• - Eletrólito: Ácido fosfórico líquido.

• - Catalisador: Platina baseada em carbono.

• - Temperatura de operação: entre 180-205⁰C.

• - Eficiência elétrica: 36-42%.

Os PAFCs podem usar hidrocarbonetos ou biogás como combustível. As reações no cátodo e no ânodo são semelhantes às que ocorrem nos PEMs, mas a temperatura de operação é mais elevada e eles também toleram melhor as impurezas que o combustível possa conter.

Os PAFCs são frequentemente usados ​​em cogeração. Hoje, a comercialização de PAFCs é generalizada. São frequentemente utilizados para fornecer eletricidade a edifícios com elevada procura de energia, tanto públicos como privados.

Em 1991, a UTC colocou no mercado a primeira usina de geração de energia baseada nesta tecnologia de célula de combustível. O sistema de energia PureCell, veja a figura, fornece 200 kW de potência e cerca de 850 J de energia a cada hora. O tempo de operação acumulado para todas as unidades vendidas excede 6 milhões de horas.[25]​.

Célula de combustível de carbonato fundido (MCFC)

• - Eletrólito: carbonatos alcalinos em matriz cerâmica.

• - Catalisador: dos eletrodos (não de platina).

• - Temperatura de operação: em torno de 650 °C.

• - Eficiência elétrica: 50-60%.

Neste tipo de células, a elevada temperatura de funcionamento permite a reforma interna do combustível, ou seja, a conversão do combustível em hidrogénio é feita dentro da própria célula. Como os MCFCs não são propensos à contaminação com CO ou CO2, podem até usar óxidos de carbono como combustível, o que os torna especialmente adequados para alimentá-los com gases de carvão. Os MCFCs são utilizados em aplicações estacionárias e em cogeração, para fornecer energia a edifícios públicos ou privados.

Esta tecnologia está em desenvolvimento há muito tempo. O link a seguir mostra uma foto de um sistema de potência de 100 W baseado na tecnologia MCFC e fabricado pela Texas Instruments em 1966. Os maiores expoentes no desenvolvimento desta tecnologia foram a MTU alemã e seu parceiro americano, Fuel Cell Energy.[25]​.

Célula de Combustível de Óxido Sólido (SOFC)

• - Eletrólito: óxido metálico cerâmico sólido ou não poroso.

• - Catalisador: material do eletrodo (não platina).

• - Temperatura de operação: 800-1000 °C.

• - Eficiência elétrica: 50-60%.

Esses tipos de células de alta temperatura são projetados para reformar hidrocarbonetos leves (como o gás natural) internamente. Portanto, se fossem utilizados hidrocarbonetos mais pesados ​​(como a gasolina), seria necessário um reformador externo.

Seu formato pode ser plano ou tubular. Esses tipos de baterias são usados ​​em uma longa lista de aplicações estacionárias em todo o mundo.[29]​.

Dado que estes tipos de baterias operam atualmente entre 800-1000 °C, o desafio é descer para 600-800 °C (IT-SOFC, "Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell"). A pesquisa concentra-se na redução da espessura da camada eletrolítica e na busca de novos materiais, à base de óxidos de lantanídeos ou com estrutura perovskita, que apresentem alta condutividade iônica em baixa temperatura.[25]​.

Comparação entre os diferentes tipos

Como resumo, a tabela a seguir compara os principais tipos de células de combustível no status de Marketing/pesquisa.

Outros tipos de células de combustível

A tabela a seguir apresenta outros tipos de células a combustível que se baseiam nos tipos principais, mas que possuem características próprias que as tornam interessantes tanto para aplicações gerais quanto específicas.

A função de Gibbs e o potencial de Nernst

Em uma célula a combustível, ocorre uma reação eletroquímica a temperatura e pressão constantes que nunca atingirá o equilíbrio. O trabalho que pode ser obtido nestas condições é denominado trabalho de não expansão[30]​ e seu valor máximo coincide com a variação da energia livre de Gibbs. No caso de uma reação eletroquímica, este trabalho é a energia elétrica necessária para liberar os elétrons, W, e é dado pela mudança na função de Gibbs, ΔG, da reação química (também é chamada de energia livre de reação):[30]​.

Esta expressão é particularmente útil para avaliar o trabalho elétrico que ocorre em células a combustível e células eletroquímicas. O trabalho elétrico é obtido levando-se em consideração o número n de elétrons que são liberados por cada molécula produzida na reação química e a diferença de potencial E que eles adquirem ao serem liberados. Este trabalho é igual a –neE, sendo e a carga do elétron. Se quisermos expressar a reação por mol em vez de por molécula, teremos que multiplicar n pelo número de Avogadro, o que nos dará nN elétrons para cada mol produzido. Portanto, o trabalho associado à geração de nN elétrons, com diferença de potencial E, é:[24]​.

O produto eN, que é a carga elétrica de um mol de elétrons, é chamado de constante de Faraday e é designado pela letra F. Portanto:.

sendo .[31]​.

O potencial E é conhecido como potencial de Nernst[24] e fornece a tensão elétrica que pode ser obtida quando uma reação eletroquímica ocorre de forma reversível. Esse potencial também é conhecido como força eletromotriz e é aquele obtido em condições de circuito aberto, ou seja, na ausência de corrente elétrica.

É usual encontrar a energia livre de reação, ou os dados necessários para calculá-la, (como entalpias e entropias) tabulados para o estado padrão "Condições padrão (química)") de T = 298,15 K e P = 1 atm. A referida energia de reação no estado padrão é denotada como ΔG. Para uma reação que não ocorre sob estas condições padrão pode ser escrita [32]​.

onde Q é o quociente de reação.

Dividindo a equação anterior por nF obtemos a chamada Equação de Nernst:.

onde E é conhecido como potencial padrão da célula, que nada mais é do que a energia padrão da reação de Gibbs expressa em Volts.

Como nas células a combustível é normal ter os reagentes e produtos no estado gasoso, então Q é obtido a partir das pressões parciais:[24][30]​.

onde ν e ν são os coeficientes estequiométricos da reação química. Portanto, o potencial de Nernst neste caso será:

O potencial de Nernst é equivalente à “força eletromotriz” ou “potencial de célula” de uma bateria, que é a diferença de potencial observada em uma bateria de circuito aberto.

Desempenho

O desempenho ou eficiência ideal da conversão química em elétrica é definido como o quociente entre a energia elétrica obtida no caso em que a corrente é infinitamente pequena, W ou como vimos na primeira seção desta seção, ΔG, e a energia química colocada em jogo ∆H, podemos escrevê-la como:.

A título de exemplo, o cálculo do desempenho ideal em condições padrão (T=298,15 K e P = 1 atm), η, pode ser feito para uma célula baseada na reação do hidrogênio com o oxigênio:.

onde a água produzida é líquida. Nestas condições:[24]​.

portanto,.

Para outras reações eletroquímicas o procedimento seria análogo.

O desempenho das células a combustível, diferentemente dos motores de combustão (interna e externa), não é limitado pelo ciclo de Carnot, uma vez que não seguem um ciclo termodinâmico. Portanto, seu desempenho é muito alto em comparação, convertendo energia química em energia elétrica diretamente.

A diferença de potencial entre os eletrodos da célula diminui quando existe corrente. Por conveniência, o desempenho de uma célula a combustível é frequentemente expresso em termos da relação entre a tensão ideal e a tensão real (na qual a célula a combustível opera), sendo esta última inferior à primeira devido às perdas ôhmicas e aquelas associadas aos mecanismos de polarização dentro da célula. A expressão da eficiência da célula a combustível é a seguinte:.

onde V é a tensão medida entre os eletrodos em condições reais de operação, e I é a intensidade da corrente que circula pelo circuito externo. Essa eficiência também é conhecida como eficiência de tensão.[33]​ Nesta expressão considera-se que todo o combustível está sendo utilizado, já que este é o caso na maioria dos motores a combustão. Porém, em células a combustível normalmente não é realizada a conversão completa do combustível e é necessário, para calcular a eficiência em tensão real, multiplicar a equação anterior por um fator que indique quanto combustível está sendo utilizado.

Portanto, embora o desempenho ideal pareça muito elevado, ele é reduzido pelas condições operacionais reais.

Uma célula de combustível normalmente converte a energia química do combustível em eletricidade com uma eficiência de aproximadamente 50%. O desempenho, contudo, depende em grande parte da corrente que flui através da célula de combustível: quanto maior a corrente, menor o desempenho.

Perdas devido à produção, transporte e armazenamento também devem ser consideradas. Os veículos com células de combustível que funcionam com hidrogénio comprimido têm uma eficiência de 22% se o hidrogénio for armazenado como gás de alta pressão e de 17% se for armazenado como hidrogénio líquido (estes números devem justificar a sua metodologia de cálculo).

As células de combustível não podem armazenar energia como uma bateria, mas em alguns usos, como usinas autônomas baseadas em fontes "descontínuas" (energia solar, eólica), elas são combinadas com eletrolisadores e sistemas de armazenamento para formar um conjunto para armazenar esta energia. A eficiência do processo reversível (da eletricidade ao hidrogénio e de volta à eletricidade) destas centrais situa-se entre 30 e 40%.

Comportamento real

Conforme indicado nas seções anteriores, o potencial de Nernst fornece a “força eletromotriz” da célula a combustível, ou seja, a diferença de potencial entre seus eletrodos na ausência de corrente elétrica. Uma vez que o circuito é fechado e a corrente começa a fluir, aparecem perdas potenciais relacionadas à condução de carga dentro do eletrólito e aos fenômenos de polarização. Como consequência, a diferença de potencial medida entre os eletrodos é menor que o ideal (potencial de Nernst) calculado na seção anterior.

Para visualizar claramente a diferença entre os dois potenciais, o potencial geralmente é representado em relação à densidade de corrente, dando origem à chamada curva de operação, também chamada de curva de polarização. Esta curva, conforme mostrado na figura à direita, apresenta três regiões principais de operação.

Conforme mostrado entre parênteses, cada uma das regiões mostradas no gráfico anterior tem uma fonte associada de perda de eficiência:[24]​.

• - Perdas de ativação: devido à baixa taxa de reações na região de polarização de ativação.

• - Perdas ôhmicas (resistivas): relacionadas ao fluxo de elétrons através do material do eletrodo, bem como à resistência ao fluxo de íons através do eletrólito na região de polarização ôhmica.

• - Perdas de concentração: alterações na concentração do gás ou no transporte de massa na região de polarização devido à concentração.

A seguir veremos com mais detalhes os tipos de perdas citadas.

Esses tipos de perdas se devem à lentidão das reações nos eletrodos. Para que as reações eletroquímicas comecem, como nas reações químicas comuns, os reagentes devem exceder a energia de ativação. Na realidade, não ocorre uma única reação nos eletrodos, mas várias, cada uma com sua própria velocidade e energia de ativação. Assim, as perdas de ativação são o resultado das perdas devidas a cada uma dessas reações sucessivas.

As perdas de ativação são expressas matematicamente pela equação de Tafel"):[34]​.

R≡constante do gás ideal medida em J/molK.

T≡temperatura de operação em K.

α≡coeficiente de transporte de elétrons (adimensional).

n≡número de elétrons por molécula (adimensional).

F≡Constante de Faraday em C/mol.

i≡corrente gerada em A.

i≡corrente de troca (depende do tipo de material), medida em A.

Esta equação é válida para valores de ΔE≥(50-100)mV.[34]​.

Segundo Barbir[35]​ os fatores que reduzem as perdas por ativação são:

• - Aumento da temperatura operacional.

Variáveis ​​que afetam a operação

O potencial de saída das células a combustível é afetado pelas condições de operação (temperatura, pressão, composição do gás, uso de reagentes, densidade de corrente), pelo design da célula e por outros fatores (impurezas, durabilidade do dispositivo) que fazem com que ela se afaste do valor ideal previamente calculado. Para mais informações sobre este tipo de perdas, consulte as seguintes referências.[24]​[35]​[37]​[38]​.

Energia

As células de combustível são muito úteis como fontes de energia em locais remotos, como naves espaciais, estações meteorológicas remotas, grandes parques, locais rurais e em certos usos militares. Um sistema de célula de combustível movido a hidrogênio pode ser compacto, leve e não ter grandes peças móveis. Como as células de combustível não têm partes móveis e não envolvem combustão, em condições ideais elas podem atingir até 99,9999% de confiabilidade.[39]​ Isso equivale a menos de um minuto de inatividade durante um período de seis anos.[39]​.

Aplicações de cogeração (uso combinado de calor e eletricidade) para residências, edifícios de escritórios e fábricas. Este tipo de sistema gera energia elétrica constantemente (vendendo o excesso de energia à rede quando não é consumida), e ao mesmo tempo produz ar e água quente graças ao calor que emite. As células de combustível de ácido fosfórico (PAFC) compreendem o maior segmento de aplicações de cogeração em todo o mundo e podem fornecer eficiências combinadas próximas de 80% (45-50% elétricas + o restante térmico). O maior fabricante de células de combustível PAFC é a UTC Power", uma divisão da United Technologies Corporation. Células de combustível de carbonato fundido (MCFCs) também são usadas para fins idênticos, e existem protótipos de células de combustível de óxido sólido (SOFCs).

Os sistemas eletrolisadores não armazenam combustível por si próprios, por isso requerem unidades de armazenamento externas, razão pela qual são normalmente utilizados em áreas rurais.[40]​ Neste caso, as baterias têm que ser grandes para atender à demanda de armazenamento, mas isso ainda representa economia em comparação com dispositivos elétricos convencionais.

Existem muitos tipos diferentes de células de combustível estacionárias, portanto as eficiências variam, mas a maioria tem entre 40% e 60% de eficiência energética.[41]​ No entanto, quando o calor residual da célula de combustível é usado para aquecer um edifício em um sistema de cogeração, essa eficiência pode aumentar para 85%,[41]​ ou seja, quase três vezes mais eficiente do que as usinas a carvão tradicionais.[42]​ Portanto, na produção em larga escala, as células de combustível podem economizar 20-40% em custos de energia quando usadas em sistemas de cogeração.[43] As células de combustível são muito mais limpas do que as centrais eléctricas tradicionais; Uma central eléctrica baseada em células de combustível que utilize gás natural como fonte de hidrogénio poderia gerar menos de uma onça (aproximadamente 28,35 gramas) de poluentes (além do CO2), por cada kW/h produzido, enquanto os sistemas de combustão convencionais gerariam 25 onças (708 gramas).[44]​.

Existe um programa experimental na Ilha Stuart, no estado de Washington,[45]​ onde a empresa Stuart Island Energy Initiative construiu um sistema completo no qual painéis solares geram a corrente para operar vários eletrolisadores que produzem hidrogênio. O referido hidrogénio é armazenado num tanque de 1900 litros, a uma pressão de 10 a 80 bar. Este combustível é usado para alimentar uma célula de combustível de hidrogênio de 48V da marca ReliOn que fornece energia elétrica suficiente para fins residenciais na ilha (ver link externo ao SIEI.ORG). Outro sistema deste tipo foi instalado em 2011 em Hempstead, NY.[46]​.

As células de combustível podem ser utilizadas com gás de baixa qualidade proveniente de aterros ou estações de tratamento de águas residuais para gerar energia e reduzir as emissões de metano. A maior usina de energia baseada em células de combustível é uma usina de 2,8 MW localizada na Califórnia.[47]​.

Protium, uma banda de rock formada na Ponaganset High School em Glocester, foi o primeiro grupo musical do mundo a usar células a combustível de hidrogênio para fornecer energia. A banda usou um sistema Ballard Power de 1kW Airgen Fuelcell. O conjunto tocou em vários eventos relacionados a células de combustível, incluindo o CEP em Connecticut e o Seminário de Células de Combustível de 2003 em Miami Beach.

Plug Power Inc. é outra empresa importante no projeto, desenvolvimento e fabricação de células de combustível PEM para aplicações estacionárias, incluindo produtos voltados para telecomunicações, energia básica e aplicações de cogeração.

Cogeração

Os sistemas combinados de calor e energia com células de combustível (CHP), incluindo sistemas micro combinados de calor e energia (MicroCHP), são usados ​​para fornecer calor e energia para residências, edifícios de escritórios e fábricas. Esses sistemas geram energia elétrica constantemente (vendendo o excedente à rede quando não consumido) e, ao mesmo tempo, produzem ar quente e água com calor residual. Como resultado, os sistemas CHP têm o potencial de economizar energia primária, pois podem utilizar o calor residual, que normalmente é rejeitado pelos sistemas de conversão de energia térmica.[48]​ A faixa de potência típica de uma célula de combustível doméstica é de 1–3 kWel / 4–8 kWth.[49]​[50]​ Os sistemas CHP conectados a resfriadores de absorção usam calor residual para resfriamento.[51]​.

O calor residual das células de combustível pode ser desviado no verão diretamente para o solo para resfriamento adicional, enquanto no inverno o calor residual pode ser bombeado diretamente para o edifício. A Universidade de Minnesota detém os direitos de patente para este tipo de sistemas.[52][53]​.

Os sistemas de cogeração podem atingir 85% de eficiência (40-60% elétrica e o restante térmico).[41]​ Células a combustível de ácido fosfórico (PAFC) são as mais amplamente utilizadas em produtos CHP no mundo e podem atingir eficiências combinadas próximas a 90%.[54]​[55]​ Células a combustível de carbonato fundido (MCFC) e células a combustível de óxido sólido (SOFC) também são usadas para sistemas combinados de produção de calor e energia e têm uma eficiência elétrica próxima de 60%.[56]​ As desvantagens desses sistemas de cogeração incluem altos custos e curta duração.[57]​[58]​ Além disso, a necessidade de ter um tanque para armazenar água quente para suavizar a produção de calor representa um sério problema para o mercado interno, uma vez que o espaço nas residências representa um grande custo.[59]​.

Veículos com células de combustível

Embora atualmente não existam veículos equipados com células de combustível disponíveis para venda em larga escala, mais de 20 protótipos de veículos com células de combustível (FECV) e carros de demonstração foram lançados desde 2009. Os modelos de demonstração incluem o Honda FCX Clarity, o Toyota FCHV, o Fiat Phyllis e o Mercedes-Benz F-Cell. Desde 2011, os carros de demonstração FECV percorreram mais de 4.800.000 km, com mais de 27.000 recargas. 53% e 59% com um quarto de sua potência e entre 42% e 53% em potência máxima[64]​ com uma durabilidade de 120.000 km com uma degradação inferior a 10%.[62]​ Em uma análise completa "do poço à roda"), que não leva em consideração restrições econômicas ou de mercado, a General Motors e seus parceiros estimaram que, por quilômetro percorrido, um veículo movido a hidrogênio gasoso comprimido consumia cerca de 40% menos energia e emitiu 45% menos gases de efeito estufa do que um veículo de combustão interna.[65] Um engenheiro-chefe do Departamento de Energia, cuja equipe está testando carros com células de combustível, disse em 2011 "que seu potencial atraente reside no fato de serem veículos totalmente funcionais, sem limite de recarga e, portanto, um substituto direto para qualquer veículo. Por exemplo, se você estiver dirigindo um SUV de tamanho máximo e quiser arrastar um barco montanha acima, isso pode ser feito com esta tecnologia e não pode ser feito com os veículos atuais que funcionam apenas com baterias, que são mais projetados para a condução urbana."

Alguns especialistas acreditam, no entanto, que os carros com células de combustível nunca se tornarão economicamente competitivos com outras tecnologias[67][68]​ ou que levará décadas até que se tornem lucrativos.[69][70]​ Em julho de 2011, o presidente e CEO da General Motors, Daniel Akerson, disse: “O carro ainda é muito caro e provavelmente não será prático até o final de 2020, não sei”, embora os preços dos carros com células de combustível de combustível de hidrogênio estivessem diminuindo.[71]​.

Em 2012, a Lux Research, Inc. publicou um artigo afirmando: “O sonho de uma economia do hidrogénio… não está mais próximo.” Concluiu dizendo: “O custo do capital… limitará a sua adopção a não mais de 5,9 GW” em 2030, com uma “barreira quase intransponível à adopção, excepto em áreas de mercado muito limitadas”. A análise concluiu dizendo que em 2030 o mercado de PEM estacionários atingiria um bilião de dólares, enquanto o mercado de veículos, incluindo empilhadores, um total de dois biliões.[72] Outras análises citam a falta de uma extensa infra-estrutura de hidrogénio nos Estados Unidos como um desafio para a comercialização de veículos eléctricos com células de combustível. Em 2006, um estudo para o IEEE mostrou que, para o hidrogênio produzido pela eletrólise da água: “Aproximadamente, apenas 25% da energia eólica, hídrica ou solar tem utilização prática”. O estudo, posteriormente, mencionou que: “parece que a energia obtida a partir de células de combustível de hidrogénio é quatro vezes mais cara do que a energia obtida a partir da rede... Porque as elevadas perdas de energia (hidrogénio) não podem competir com a electricidade” (95). Além disso, o estudo afirmou: A modificação do gás natural não é uma solução sustentável.”[73]​ A grande quantidade de energia necessária para isolar o hidrogênio de outros componentes naturais (água, gás natural, biomassa), armazenar o gás por compressão ou liquefação, transferir a energia para o usuário, mais a perda de energia quando é convertida em energia elétrica utilizável através de células de combustível deixa cerca de 25% para uso prático.[74]​[75]​[76]​.

Sistemas de energia portáteis

Os sistemas de energia portáteis baseados em células de combustível podem ser utilizados no setor de lazer (por exemplo, caravanas, cabines, barcos), no setor industrial (por exemplo, para alimentar poços remotos de gás ou petróleo, torres de comunicação, segurança, estações meteorológicas, etc.) e no setor militar.[126]​[127]​.

Outros usos possíveis

• - Usinas básicas").

• - Sistemas Auxiliares de Energia[128]​.

• - Fornece energia para estações de rádio base[129]​.

• - Sistemas de centralização de energia").

• - Sistemas de energia de emergência"), que incluem iluminação, geradores e outros dispositivos que fornecem suporte em situações críticas ou quando os sistemas normais falham. Eles podem ser usados ​​em muitos lugares, desde residências a hospitais, centros de pesquisa e centros de dados.[130]​.

• - Equipamentos de telecomunicações e equipamentos navais modernos.[131]​.

• - Sistema de alimentação ininterrupta UPS (fonte de alimentação ininterrupta), fornece energia em caso de emergência e, dependendo da topologia, regula a linha além do equipamento fornecer energia de uma fonte separada quando a outra não estiver disponível. Ao contrário de um gerador de reserva, ele fornece proteção instantânea contra interrupção momentânea da linha.

• - Células solares de combustível de hidrogénio para aquecimento de água.[132]​.

• - Veículos híbridos, utilizando, por exemplo, célula de combustível e bateria.

• - Sistemas de suporte à rede elétrica.

• - Portas portáteis para pequenos instrumentos eletrônicos (por exemplo, um clipe para cinto que carrega seu celular ou PDA).

• - Smartphones, notebooks e tablets.

• - Pequenos dispositivos de aquecimento[133]​.

• - Conservação dos alimentos, conseguida através da eliminação do oxigénio e da manutenção automática da ausência de oxigénio num recipiente contendo, por exemplo, peixe fresco.

• - Bafômetros, onde a tensão gerada pela bateria é utilizada para determinar a concentração de combustível na amostra (álcool)[134]​.

• - Detectores de monóxido de carbono"), sensor eletroquímico.

Atualmente, os maiores problemas estão nos materiais de suporte e catálise. Segundo vários autores (Venkatachalapathy, Davila et al. 1999), (Hoogers 2003), um material eletrocatalisador deve satisfazer vários requisitos. Necessita, em primeiro lugar, de alta eficiência na oxidação eletroquímica do combustível no ânodo (por exemplo, H ou CH) e na redução de O no cátodo. A alta durabilidade também é um requisito fundamental: espera-se que os PEMFCs operem por pelo menos 10.000 horas. É necessário que um eletrocatalisador tenha boa condutividade elétrica para minimizar perdas de resistência na camada catalítica. Deve finalmente ter um baixo custo de produção.

Em 2012, as receitas da indústria de células de combustível ultrapassaram US$ 1 trilhão no mercado de ações em todo o mundo.[135] No entanto, até outubro de 2013, nenhuma empresa pública do setor ainda era lucrativa.[136]140.000 pilhas de células de combustível foram enviadas globalmente em 2010, 11.000 a mais do que em 2007, e desde 2011 a 2012 a taxa de crescimento das remessas foi de 85%.[137] Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K") aumentou suas instalações para a produção de catalisadores de células de combustível para responder à demanda prevista, já que a ENE Farm japonesa esperava instalar 50.000 unidades em 2013[138]​ e a empresa está experimentando um rápido crescimento de mercado.

Cerca de 50% das remessas de células de combustível em 2010 foram células de combustível, contra um terço em 2009, e os quatro produtores dominantes na indústria de células de combustível foram os Estados Unidos, a Alemanha, o Japão e a Coreia do Sul.[139] O Departamento de Energia de Estado Sólido e a Aliança de Conversão de Energia descobriram que, em junho de 2011, as células de combustível estacionárias geravam energia a um preço de US$ 774 – US$ 775 por quilowatt instalado.[140]​ Em 2011, a Bloom Energy, um grande fornecedor de células de combustível, disse que suas células de combustível geravam energia a 9-11 centavos por quilowatt-hora, incluindo o preço do combustível, manutenção e equipamento.[141]​.

Grupos industriais prevêem que existem reservas suficientes de platina para a procura futura,[142]​ e em 2007, uma investigação conduzida no Laboratório Nacional de Brookhaven sugeriu que a platina poderia ser substituída por um revestimento de ouro e paládio, que poderia ser menos susceptível ao envenenamento e, portanto, prolongar a vida útil da célula de combustível.[143]​ Outra abordagem poderia ser a utilização de ferro e enxofre em vez de platina. Isto reduziria o custo das baterias (uma vez que a platina numa célula de combustível típica custa cerca de 1.500 dólares e o ferro necessário custaria 1,50 dólares). O conceito estava sendo desenvolvido por uma coalizão formada pelo Centro John Innes e pela Universidade de Milão-Bicocca").[144]​ Os cátodos PEDOT são imunes ao envenenamento por monóxido.[145]​.

As células de combustível são muito atractivas para utilizações avançadas devido à sua elevada eficiência e idealmente (ver energias renováveis) porque têm zero emissões, ao contrário dos combustíveis actuais mais comuns, como o metano ou o gás natural, que geram sempre dióxido de carbono. Quase 50% de toda a eletricidade produzida nos Estados Unidos provém do carvão, que é uma fonte de energia altamente suja. Se a eletrólise for usada para criar hidrogênio usando energia de usinas de energia, o hidrogênio será, na verdade, criado a partir do carvão. Embora a célula de combustível emita apenas calor e água como resíduos, o problema da poluição continuará presente nas centrais eléctricas.

Uma abordagem global deve considerar os impactos causados ​​por todo o cenário do hidrogénio, incluindo a produção, utilização, infraestruturas e conversores de energia. As células de combustível hoje são superdimensionadas com catalisador, para compensar sua própria deterioração [8]. A limitação das reservas minerais de platina levou à busca de outras soluções, por exemplo a síntese de um complexo inorgânico muito semelhante à base catalítica de sulfeto de ferro das bactérias hidrogenases [9]. As reservas mundiais de platina seriam insuficientes (um quarto) do que é necessário para permitir uma conversão completa de veículos em células de combustível: uma introdução significativa de veículos com tecnologia actual provocaria, portanto, um grande aumento no preço da platina e uma diminuição significativa nas suas reservas. No entanto, trabalhos recentes conseguiram projetar catalisadores de ferro e nitrogênio tão eficientes quanto os de platina, mas com vida útil menor (100 horas) [10].

• - Eletrodo: Extremidade de um corpo condutor em contato com um meio do qual recebe ou para o qual transmite uma corrente elétrica[146]​.

• - Ânodo: Eletrodo no qual ocorre oxidação. Para células a combustível e outras células galvânicas, o ânodo é o terminal negativo; Para células eletrolíticas (nas quais ocorre a eletrólise), o ânodo é o terminal positivo.[147]​.

• - Cátodo: Eletrodo no qual ocorre a redução (ganho de elétrons). Para células a combustível e outras células galvânicas, o cátodo é o terminal positivo; Para baterias eletrolíticas, o cátodo é o terminal negativo.[147]​.

• - Eletrólito: Uma substância que conduz íons carregados de um eletrodo para outro em uma célula de combustível, bateria ou eletrolisador.[147]​.

• - Empilhamento: Células de combustível individuais conectadas em série. As células de combustível são empilhadas para aumentar a tensão.[147]​.

• - Solução: A: processo pelo qual uma substância sólida, líquida ou gasosa é misturada homogeneamente com um líquido ou, às vezes, com um gás ou com um sólido; B: mistura homogênea formada por esse processo; C: a condição de ser dissolvido[148]​.

• - Catalisador: Uma substância química que aumenta a velocidade de uma reação sem ser consumida.[147]​.

• - Matriz: lugar a partir do qual ou dentro do qual algo se origina, se desenvolve ou toma forma.[149]​.

• - Membrane&action=edit&redlink=1 "Membrana (barreira seletiva) (ainda não elaborada)"): A camada de separação em uma célula de combustível que atua como um eletrólito e como uma película de barreira que separa gases nos compartimentos anódico e catódico da célula de combustível.[147]​.

En esta sección se resumirán los principales aspectos referidos a treinta y cinco videos seleccionados y se hará breve una reseña de los mismos. La selección se ha centrado en videos de carácter divulgativo y sobre todo, en los que tratan los aspectos científicos y técnicos de las pilas de combustible. Sin embargo, con el fin de complementar el rigor científico de los otros videos, también se han seleccionado videos cuyas explicaciones son escuetas pero que nos ofrecen una perspectiva visual del dispositivo que estamos tratando y de sus aplicaciones. La lista consta de 11 videos en español y 24 en inglés. El enlace directo a la lista de reproducción es el siguiente:.

Pilas de Combustible.

Vídeos em espanhol

1º Células de combustível..

• - Link direto.

• - Autor: Universidade de Vigo, Prof. Anxo Sánchez Bermúdez.

• - Duração: 19:55 minutos.

• - Descrição: introdução às células a combustível. Define claramente este tipo de dispositivo e fala sobre seus diferentes aspectos de forma geral e sem entrar em detalhes. Porém, deve-se levar em consideração que ao falar das características, vantagens e desvantagens, ele se refere principalmente à célula a combustível de hidrogênio. Trata-se portanto de um vídeo de carácter informativo e muito útil para uma primeira abordagem ao tema.

2ª Série de Vídeos: Energia do Hidrogênio..

• - Link direto.

• - Autor: Universidade Politécnica de Madrid, realizado por estudantes.

• - Duração: 1:58 horas.

• - Descrição: são nove apresentações feitas por alunos da UPM sobre células a combustível de hidrogênio e suas diferentes aplicações; Cada apresentação enfoca um aspecto diferente. O interesse destes vídeos reside no facto de mostrarem e analisarem um grande número de aplicações que estes dispositivos podem ter. Embora se concentrem em aspectos e aplicações específicas, geralmente podem ser compreensíveis para o público não especializado, uma vez que normalmente não são apresentados detalhes muito técnicos e algumas das apresentações começam com uma breve introdução sobre células a combustível. Abaixo segue a descrição de cada um dos vídeos que compõem a série:

• Aplicações estacionárias dos diversos tipos de células a combustível: São descritas as principais características dos diferentes tipos de células a combustível e suas aplicações na geração de energia estacionária.

• Aplicações automotivas: São descritos os protótipos fabricados por diferentes empresas automobilísticas: é apresentado o estado da implementação comercial de automóveis movidos a células de combustível.

• Aplicações portáteis de células a combustível: A escolha do combustível no caso de células a combustível utilizadas em aplicações portáteis é discutida e alguns protótipos são mostrados.

• Uso de hidrogênio em veículos aeroespaciais 1: É explicado o escopo de aplicação e uso de células de combustível em ônibus espaciais e aeronaves tripuladas e não tripuladas.

• Uso de hidrogênio em veículos aeroespaciais 2: Continua onde termina o vídeo anterior, complementando-o. São explicados os tipos de propulsão dos veículos aeroespaciais que utilizam hidrogênio: células a combustível, motores de combustão interna e sistemas híbridos. O “Projeto Aviazor” é detalhado.

• Projetos que desenvolvem propulsão de veículos aeroespaciais com hidrogênio: O tema do vídeo 5 continua, descrevendo as diferentes etapas e características dos projetos, alguns projetos como: "Ion Tiger", "Solareagle", "Phantom Eye" e "Global Observer".

• Aplicações de células a combustível no ambiente marinho: É apresentada uma visão geral do que é uma célula a combustível, sua classificação e suas principais vantagens. É oferecida uma breve visão geral das possíveis aplicações dos diferentes tipos de células de combustível no ambiente marinho.

• Aplicações de células de combustível em dispositivos subaquáticos: São descritos os submarinos existentes que possuem células de combustível em sua propulsão. Explica o que é um sistema AIP (Air Independent Propulsion). Em particular, é explicado o submarino S-80, que utilizará hidrogênio do bioetanol reformado para alimentar células de combustível PEMFC. Dispositivos subaquáticos autônomos não tripulados também são descritos.

• Aplicações de células a combustível em navios de superfície: São descritos projetos de embarcações de superfície que incorporam células a combustível em seu sistema de propulsão principal ou para atendimento ao consumo elétrico ou como unidades auxiliares de energia. É estudado o efeito da redução de emissões como consequência do uso de células de combustível no mundo marinho.

3ª célula de hidrogênio..

• - Link direto.

• - Autor: Tecnópolis. Apresentado por Vicente López.

• - Duração: 1:40 minutos.

• - Descrição: Explicação breve, mas concisa, sobre o veículo com célula de combustível a hidrogênio e a viabilidade do hidrogênio como vetor energético, destacando as vantagens ambientais de seu uso.

• - Link direto.

4º Ônibus com células a combustível..

• - Link direto.

• - Autor: Cursos CEER.

• - Duração: 1:53 minutos.

• - Descrição: explicação dinâmica com figuras e texto sobre o funcionamento de uma célula a combustível tipo PEM. Os principais componentes são descritos e sua localização específica na pilha é mostrada. Por fim, sua aplicação é vista em um veículo de transporte (ônibus).

5º Produzir eletricidade através de usinas..

• - Link direto.

• - Autor: Euronews.

• - Duração: 1:58 minutos.

• - Descrição: Este vídeo mostra como as plantas verdes geram eletricidade. Este é o projeto Plant-e da Universidade de Wageningen, na Holanda. A célula de combustível microbiana da planta gera eletricidade a partir da interação natural entre as raízes das plantas e as bactérias do solo. Funciona aproveitando até 70% da matéria orgânica produzida pela fotossíntese que não é aproveitada pela planta e é secretada pelas raízes. As bactérias que ficam próximas às raízes interagem com os resíduos orgânicos, liberando elétrons. E é assim que a eletricidade é gerada: colocando um eletrodo que absorve os elétrons liberados.

6º Células de combustível..

• - Link direto.

• - Autor: Universidade Politécnica de Valência, Javier Orozco Messana.

• - Duração: 11h01 minutos.

• - Descrição: Esta é uma introdução às células de combustível. Começa com uma breve definição. Continue com um passeio histórico. Posteriormente, foca na operação, tomando como exemplo uma célula de hidrogênio e depois fala sobre os demais tipos de baterias.

Vídeos em inglês

1º Como funciona uma célula a combustível?.

• - Link direto.

• - Autor: Álbum de recortes da Naked Science.

• - Duração: 4:01 min.

• - Descrição: Introdução às células de combustível. As explicações são feitas por meio de desenhos em caderno acompanhados de narração. Começa por anunciá-los como a possível tecnologia do futuro e refere-se às suas possíveis aplicações em diferentes dispositivos. Explica seus princípios operacionais usando uma célula de hidrogênio como exemplo e depois explica a operação e aplicações de PEMFCs, AFCs e SOFCs. Ele alude repetidamente às vantagens que estes dispositivos oferecem sobre os métodos tradicionais de obtenção de eletricidade.

2º Como funciona uma célula a combustível?.

• - Link direto.

• - Autor: Equipe de Células de Combustível Alternativas da Universidade de Waterloo.

• - Duração: 1:51 minutos.

• - Descrição: explicação informativa sobre o funcionamento do carro com célula de combustível a hidrogênio. É mostrada sua localização dentro do veículo, bem como a do combustível. A operação é explicada, o que acontece dentro de uma célula individual através de uma animação.

3ºConstruindo uma Pilha de Células de Combustível..

• - Link direto.

• - Autor: Centro de Pesquisa Energética Schatz.

• - Duração: 11h05 minutos.

• - Descrição: este vídeo mostra o processo de montagem de uma pilha de células a combustível tipo PEM. Começa explicando brevemente o mecanismo de funcionamento de uma célula a combustível deste tipo. Por fim, mostramos como montá-lo passo a passo, tudo acompanhado das respectivas explicações.

4º Carro de Célula de Combustível de Água Salgada da OWI..

• - Link direto.

• - Autor: ABC News.

• - Duração: 1:45 minutos.

• - Descrição: O vídeo mostra um carrinho de brinquedo cujo combustível é água salgada que pode funcionar continuamente por 5 a 7 horas. Este carro dá a crianças e adultos a oportunidade de aprender sobre formas de energia limpa.

5º veículo com célula de combustível da Toyota: um carro com emissão zero chegando em 2015!.

Literatura

• - Gregor Hoogers, Hoogers Hoogers - Manual de Tecnologia de Célula de Combustível - Editora:CRC Press Janeiro de 2003 - ISBN 0-8493-0877-1.

• - Venkatachalapathy, R., GP Davila, et al. (1999). "Decomposição catalítica de peróxido de hidrogênio em soluções alcalinas." Comunicações Eletroquímicas 1:614-617.

• - O Wikimedia Commons hospeda uma galeria multimídia sobre Fuel Cell.

• - Células de Combustível (animações).

• - Células de Combustível.

• - Fuel Cell ou Célula, Vídeo curto do Discovery Channel.

• - Célula ou Célula de Combustível (PEMFC), animação.

• - Eletrocélula - Célula de Combustível, Pilhas, Equipamentos de Teste.

• - A célula de combustível.

• - Sistemas Ballard Power.

• - Reino da Célula de Combustível de Hidrogênio.

• - EERE: Tipos de Células de Combustível.

• - EERE: Hidrogênio, Programa de Infraestrutura e Célula de Combustível do Governo dos EUA.

• - Como Funciona: Células de Combustível.

• - Comércio de Hidrogênio: Tipos de células a combustível.

• - PhysicsWorld: Células de combustível.

• - FuelCell Energy Inc.

• - UTC Power, uma subsidiária da United Technologies Corporation.

• - Plug Power Sistemas de Célula de Combustível.

• - Veículos movidos a hidrogénio.

• - Iniciativa Energética da Ilha Stuart (em inglês).

• - Células de combustível baseadas em Goretex para veículos híbridos.

• - Engajamento.

• - Principais componentes das células a combustível.

• - National Geographic. Células de combustível.

• - História Americana.

• - Fuelcells.org Informações sobre células de combustível.

• - Associação Espanhola de Hidrogénio.

• - Manual de Célula de Combustível DOE (imagens do livro explicadas).

• - Revisão da Indústria de Células de Combustível 2012.

• - Tipos de células a combustível.

• - Avanços nas Células de Combustível.

• - Uma célula de combustível espanhola supera a meta de potência estabelecida pelos Estados Unidos.

• - Células a combustível: da célula Volta aos carros elétricos (UNED).

• - Uma célula de combustível "Made in UNED".

• - Raízes de plantas e bactérias: uma fonte inesperada de eletricidade.

• - "O salto para o hidrogênio."

• - "Tudo o que você sempre quis saber sobre opções de tecnologia de armazenamento de energia elétrica."

• - "A descoberta recente do DOE com células de combustível de hidrogênio deve torná-las acessíveis."

• -NÓS. Departamento de Energia. Programa de Hidrogênio e Células de Combustível. Relatório Anual de Progresso de 2013 Arquivado em 14 de julho de 2014 na Wayback Machine.

• - Motorola lidera cobrança por células de combustível portáteis Arquivado em 14 de julho de 2014 na Wayback Machine.

• - Uma célula de combustível poderia explicar como a vida surgiu na Terra.

• - GEI Global Energy Corp. anuncia pedido de geração de energia a biogás arquivado em 14 de julho de 2014 na Wayback Machine.

• - Gestão da água em células de combustível regenerativas.

• - HIDROGÉNIO E CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL: SEGURANÇA ENERGÉTICA E SUSTENTABILIDADE.

Contenido

Aunque parezca algo muy reciente, la historia de las pilas de combustible comenzó hace casi dos siglos, en 1838,[6]​ con los primeros estudios del científico Christian Friedrich Schönbein en Suiza y, paralelamente, con los del físico y jurista galés Sir William Robert Grove sobre baterías gaseosas, cuyos resultados publicaría en 1843. Hoy en día, se continúa con el empleo de estas células en diversas aplicaciones, tanto portátiles (ejemplo: teléfonos móviles) como estacionarias (ejemplo: generación de energía para edificios), así como en diversos medios de transporte (desde submarinos hasta vehículos particulares). Sin embargo, su desarrollo ha atravesado periodos de olvido, debido a las numerosas dificultades técnicas que presentan en comparación con otros métodos de obtención de electricidad. El interés por las células de combustible, y por tanto su desarrollo, se ha dado en periodos de escasez de recursos energéticos - por ejemplo, la crisis del petróleo de 1973 que precipita el desarrollo de tecnologías alternativas de energía, incluyendo las células de combustible[7]​ -. Esto se debe a que estas células, comparadas con otros dispositivos, tienen mayor eficiencia energética y por tanto necesitan menos combustible para producir la misma energía.

1843

A figura mostra o dispositivo apresentado à comunidade científica por William Robert Grove em sua publicação "On the Gas Voltaic Battery".[8]​[9]​ Para sua preparação, ele utilizou dois eletrodos de platina imersos em ácido sulfúrico, que alimentou com oxigênio e hidrogênio, respectivamente. A partir da dissociação do H2SO4, a redução ocorreu no eletrodo alimentado com O2 (cátodo), que reagiu com os íons H+ formando água. Nessa reação estiveram envolvidos elétrons, que foram gerados no ânodo durante a oxidação do H2, que reagiu com o íon SO42- para formar ácido sulfúrico[2]. Grove conectou eletricamente cinquenta dessas células, gerando potencial suficiente para produzir a reação de eletrólise da água.

1882

O físico britânico Lord Rayleigh melhorou esta configuração original. Rayleigh interessou-se pelo trabalho de Grove e em 1882 apresentou uma nova versão mais eficiente, devido ao aumento da superfície de contato entre a platina, os gases reativos e o eletrólito.[10]​.

Ludwig Mond e Charles Langer usaram pela primeira vez o termo "célula de combustível" para se referir a este tipo de dispositivo. Em 1889, estes dois cientistas fizeram um grande avanço, resolvendo o problema associado à imersão dos eléctrodos no electrólito líquido e, portanto, a dificuldade de acesso dos gases reactivos aos pontos activos. Seu protótipo permitiu que o eletrólito ficasse retido em uma matriz sólida não condutora, cuja superfície era coberta por uma fina camada de platina ou ouro.[10]​.

Décadas de 1950 e 1960

Em meados do século, o desenvolvimento tecnológico destes dispositivos conheceu um grande progresso. Em 1954, o cientista inglês Francis Thomas Bacon construiu uma usina de 5 kW usando uma célula de combustível alcalina. A célula consistia em um ânodo de níquel, um cátodo de óxido de níquel-lítio e um eletrólito de hidróxido de potássio concentrado a 85%. Foi abastecido com hidrogênio e oxigênio.[11] Esta bateria era capaz de alimentar uma máquina de solda. Na década de 1960, as patentes de Bacon (licenciadas por Pratt e Whitney nos Estados Unidos – pelo menos a ideia original) foram usadas no programa espacial dos Estados Unidos para fornecer eletricidade e água potável aos astronautas, a partir do hidrogênio e do oxigênio disponíveis nos tanques da espaçonave.

Em 1959, uma equipe liderada por Harry Ihrig construiu um trator baseado em célula de combustível de 15 kW para a Allis-Chalmers. Foi exibido nos EUA em feiras estaduais. Este sistema usava hidróxido de potássio como eletrólito e hidrogênio comprimido e oxigênio como reagentes.

Paralelamente à Pratt & Whitney Aircraft, a General Electric desenvolveu a primeira pilha de membranas de troca de prótons (PEMFCs) para as missões espaciais Gemini da NASA. A primeira missão a usar PEFCs foi Gemini V. No entanto, as missões do Programa Apollo e as subsequentes missões Apollo-Soyuz, Skylab e ônibus espaciais usaram células de combustível baseadas no projeto Bacon, desenvolvido pela Pratt & Whitney Aircraft.[13]​.

Décadas de 1970 e 1980

Entre 1970 e 1980, como consequência da crise do petróleo e da procura de tecnologias energéticas alternativas, foram realizadas pesquisas sobre o desenvolvimento dos materiais necessários, a identificação de fontes ótimas de combustível e a redução drástica do custo da tecnologia associada às células de combustível.

Durante a década de 1980, o uso de células a combustível começou a ser testado em concessionárias e também na fabricação de automóveis. Na década de 1990, grandes células de combustível estacionárias (fixas) foram desenvolvidas para instalações comerciais e industriais.

1993 e 2007

Em 1993, a empresa canadense Ballard desenvolveu o primeiro veículo comercial com célula de combustível, utilizando tecnologia PEM.

Em 2007, as células a combustível são comercializadas para aplicações estacionárias e auxiliares. Em 2008, a Honda inicia as vendas de um veículo elétrico baseado em célula de combustível, o FCX Clarity. Nesse mesmo ano, o Prémio Nobel da Química foi atribuído a Gerhard Ertl, cujos estudos revelaram o funcionamento das células de combustível.

A Panasonic foi a primeira empresa no mundo a vender células de combustível para uso doméstico. Desde o seu lançamento (maio de 2009) até setembro de 2013, vendeu 31.000 unidades no Japão.[15]​.

2013

Em 2013, é apresentada uma célula de combustível que poderá representar a transição para baterias acessíveis. A empresa britânica "ACAL Energy" desenvolveu uma célula de combustível que alcançou um tempo de funcionamento de 10.000 horas em testes de resistência de célula de combustível[16]​ usando sua tecnologia FlowCath. Ao contrário de um projeto convencional de célula de combustível de hidrogênio, a tecnologia FlowCath da ACAL não depende da platina como catalisador, oferecendo uma alternativa de custo potencialmente mais baixo. Substituiu a platina por um catalisador líquido patenteado, que atua como refrigerante e catalisador para as células e melhora radicalmente a durabilidade da célula de combustível, ao mesmo tempo que reduz o custo do sistema.[17]​.

2014 - Presente

A última década assistiu à consolidação comercial da tecnologia e a um foco crítico na sustentabilidade. Os veículos com célula de combustível (FCEV), como o Toyota Mirai (2014) e o Hyundai Nexo (2018), estabeleceram um nicho de mercado, embora com volumes modestos em comparação com os veículos elétricos a bateria.[18]​.

O maior avanço conceitual foi a virada para o hidrogênio verde, produzido com energia renovável, reconhecido como essencial para que a tecnologia seja verdadeiramente limpa. Isto impulsionou estratégias nacionais na UE, no Japão e na Coreia do Sul.[19]​.

As aplicações mais promissoras estão agora no transporte pesado. Caminhões, ônibus urbanos e os primeiros trens de passageiros com células de combustível, como o Coradia iLint da Alstom na Alemanha, estão sendo implantados, substituindo frotas a diesel em linhas não eletrificadas.[20]​.

El funcionamiento de la pila de combustible es similar al de una batería. Se obtiene electricidad a partir de sustancias que reaccionan químicamente entre sí. Sin embargo, mientras que las baterías tienen una capacidad limitada de almacenamiento de energía, la pila de combustible está diseñada para permitir un abastecimiento continuo de los reactivos. Además, los electrodos de la pila de combustible actúan también como catalizadores de las reacciones químicas de oxidación/reducción.

Existen tipos muy distintos de pilas de combustibles. Para explicar su funcionamiento básico, se toma como ejemplo una de las más comunes, la denominada PEM (de membrana de intercambio protónico, en inglés Proton Exchange Membrane). El esquema básico de la celda unitaria de una pila PEM se muestra en la figura de la derecha. Consta de dos electrodos: el ánodo (donde se oxida el combustible) y el cátodo (donde el oxidante o comburente se reduce). El electrolito actúa simultáneamente como aislante eléctrico, conductor protónico y separador de las reacciones que tienen lugar en el cátodo respecto a las que tienen lugar en el ánodo. Debido a lo anterior, los electrones viajan desde el ánodo hasta el cátodo a través de un circuito externo, generando una corriente eléctrica, mientras que los protones lo hacen a través del electrolito. En el cátodo, los electrones, protones y el comburente se reducen, dando lugar a los productos. La reacción es exotérmica y, aunque es espontánea, suele ser muy lenta como para ser operativa sin la presencia de catalizadores. De hecho, lo más común es que los propios electrodos se utilicen como catalizadores. En este tipo de pilas se suele utilizar hidrógeno como agente reductor y oxígeno como oxidante.

Es importante mencionar que, para que los protones puedan atravesar la membrana, esta debe estar convenientemente humidificada, porque la conductividad protónica de las membranas poliméricas utilizadas en este tipo de pilas depende de la humedad de la membrana. Por lo tanto, es habitual humidificar los gases previamente al ingreso a la pila.

Además de hidrógeno puro, también se tiene el hidrógeno contenido en otras moléculas de combustibles incluyendo el diésel, metanol (véase DMFC")) y los hidruros químicos. El residuo producido por este tipo de combustibles además de agua es dióxido de carbono, entre otros.

Las pilas de combustible se pueden clasificar en función del electrolito y del combustible elegido, lo que a su vez determina el tipo de reacciones que se llevarán a cabo en los electrodos y los tipos de iones que la corriente transportará a través del electrolito.

Hoy en día, la mayoría de las células de combustible en desarrollo utilizan hidrógeno o gases sintéticos ricos en hidrógeno. El hidrógeno tiene una alta reactividad y puede obtenerse de formas muy diversas tanto a partir de combustibles fósiles o renovables, como a partir de un proceso electrolítico. Por razones prácticas, el oxidante más común es el oxígeno gaseoso, debido a su alta disponibilidad. Una ventaja de utilizar la combinación de hidrógeno con oxígeno, es que el único producto de la reacción es agua. Por esto, esta combinación es muy utilizada en aplicaciones espaciales. Además, oxígeno y el hidrógeno pueden almacenarse criogénicamente de forma compacta.

La diferencia de potencial generada por una sola unidad o monocelda es inferior a un voltio, por lo que hay que conectar en serie varias mono-pilas para obtener las tensiones adecuadas para las aplicaciones más comunes. Por lo tanto, en la práctica se utilizan sistemas de pilas de combustible.

Variedade

A tensão da célula depende da corrente de carga. Em circuito aberto, é de 1,2 volts. Para criar tensão suficiente, as células são agrupadas combinando-as em série e paralelo, no que em inglês é chamado de "Fuel Cell Stack". Geralmente, são utilizados mais de 45, embora variem dependendo do design.

Materiais

Os materiais usados ​​nas células de combustível variam dependendo do tipo. Consulte Tipos de células de combustível.

Eletrodos/placas bipolares são geralmente feitos de metal, níquel ou nanotubos de carbono e são cobertos por um catalisador (como platina ou paládio) para obter maior eficiência.

O eletrólito pode ser uma membrana eletrolítica de polímero cerâmico ou híbrido. Isto consiste em dois polímeros diferentes. Eles são dispostos de tal forma que ambos constituem uma estrutura onde um dos polímeros (que é um polímero de siloxano) atua como base perfurada para que o outro (um eletrólito polimérico) possa distribuir as perfurações em forma de canais.

Considerações de projeto em células de combustível

• - Custos. Em 2002, as células típicas tinham um custo devido ao catalisador de €850 (aprox. 1000 USD) por quilowatt de energia eléctrica útil; no entanto, espera-se que, antes de 2007, seja reduzido para cerca de 25 euros (aproximadamente 30 dólares) por quilowatt [3]. Utilizando um catalisador enriquecido com seda de carbono, Ballard conseguiu uma redução de 30% (1 mg/cm² para 0,7 mg/cm²) na quantidade de platina, sem reduzir seu desempenho (informações de 2005)[4].

• - Gestão da água nos PEMFCs. Neste tipo de célula a combustível, a membrana deve ser hidratada, exigindo que a água evapore exatamente na mesma proporção em que é produzida. Se a água evaporar muito rapidamente, a membrana seca, a resistência através dela aumenta e ela irá rachar, criando um “curto-circuito” de gás onde o hidrogênio e o oxigênio se combinam diretamente, gerando calor que danificará a célula de combustível. Se a água evaporar muito lentamente, os eletrodos inundarão, impedindo que os reagentes cheguem ao catalisador e a reação irá parar. Um dos objetivos mais importantes na pesquisa com células de combustível é o gerenciamento adequado da água.

• - Gerenciamento de temperatura. A mesma temperatura deve ser mantida em toda a célula para evitar a destruição da célula devido à fadiga térmica.

• - Controle de fluxo. Tal como num motor de combustão, uma relação constante entre o reagente e o oxigénio deve ser mantida para que a célula funcione eficientemente.

• - Durabilidade, vida útil e requisitos especiais para determinados tipos de células. Os usos estacionários normalmente requerem mais de 40.000 horas de operação confiável entre -35°C e 40°C, enquanto as células de combustível automotivas requerem pelo menos 5.000 horas (o equivalente a cerca de 200.000 quilômetros) sob temperaturas extremas. (Veja: Veículo a hidrogênio). Além disso, as aplicações automotivas devem permitir partida a frio até -30°C e ter alta potência por unidade de volume (normalmente 2,5 kW por litro).

• - Tolerância limitada ao CO (monóxido de carbono).

Célula unitária

A célula unitária ou monocélula é o elemento básico de um sistema baseado em célula de combustível. Os elementos que o compõem são descritos a seguir:

• - Eletrólito. É ao mesmo tempo condutor iônico, isolante elétrico e separador de cátodo e ânodo. Dependendo do estado de agregação do eletrólito, podemos encontrar dois tipos de combustível. Assim, segundo Appleby e Foulkes,[21]​ temos:

• Células de combustível de eletrólito líquido. Nesse tipo, os eletrodos são porosos e o eletrólito fica em contato com eles, encharcando pequenas áreas. Os reagentes gasosos se difundem através de uma fina camada de eletrólito e reagem eletroquimicamente nas superfícies do eletrodo. A quantidade de eletrólito que o eletrodo pode conter é limitada. Portanto, o excesso de líquido poderia impedir o transporte de espécies gasosas e também as reações necessárias à obtenção de energia.

• Células de combustível de eletrólito sólido. Este tipo contém um elevado número de catalisadores na interface, que devem ser conectados eletricamente e ionicamente aos eletrodos e ao eletrólito, respectivamente, e que também são eficientemente expostos aos reagentes gasosos.

• - Eletrodos. As reações eletroquímicas ocorrem na superfície dos eletrodos. O combustível é oxidado no ânodo e o oxigênio é reduzido no cátodo. Os eletrodos são geralmente porosos, para permitir a difusão gasosa (embora existam alguns não porosos[22]​). Desta forma, pode-se estabelecer um bom contato entre as três fases que participam da reação (a fase sólida do eletrodo, a fase gasosa do combustível e a fase líquida ou sólida do eletrólito). As principais funções dos eletrodos são:

• Conduza ou desaloje íons da interface ternária.

• Certifique-se de que os reagentes gasosos estejam distribuídos uniformemente no eletrólito.

• Certifique-se de que os produtos da reação sejam transportados de forma eficiente para a fase gasosa.

Pilhas

Como a diferença de potencial gerada por uma única célula a combustível é pequena (aproximadamente 0,7 volts), na prática várias são combinadas em série para atingir a tensão de saída apropriada para a aplicação desejada. Logicamente, as interligações entre as células unitárias são feitas utilizando materiais com alta condutividade elétrica. Entre os numerosos tipos de pilhas possíveis, as mais comuns são as de estrutura plana, embora também existam as tubulares.

Em pilhas de estruturas planas, normalmente são incluídos elementos conhecidos como "placas bipolares" (ver Células de Combustível (animações)). Eles consistem em duas placas separadoras localizadas nas extremidades do sistema. através do qual as conexões são feitas. Um atua como ânodo e outro como cátodo. Além disso, estas placas separam o combustível e o oxidante das células adjacentes, proporcionando por sua vez um excelente meio para fornecer estes reagentes. Em muitos projetos, as placas incluem canais (veja a figura à direita) que permitem a distribuição uniforme do fluxo de gás sobre as células. Esse projeto é bastante simples eletricamente: o caminho que a corrente elétrica percorre é relativamente curto e, portanto, oferece pouca resistência à passagem de elétrons e, consequentemente, pouca queda de tensão.

Outro tipo de empilhamento, especialmente indicado para células a combustível que trabalham em altas temperaturas (como a de óxido sólido-SOFC), consiste em uma configuração tubular (figura à esquerda). Esses tipos de baterias geralmente usam um material cerâmico sólido, como óxido de zircônio estabilizado com óxido de ítrio, como eletrólito, em vez de um líquido ou membrana de troca.

Sistemas baseados em células de combustível

Embora a própria célula de combustível seja o componente principal, um sistema baseado em célula de combustível deve incluir outros subsistemas e componentes, conhecidos como equilíbrio da planta (BOP). Um sistema baseado em células de combustível é então formado por uma pilha de células de combustível e um BOP, devidamente combinados.

Existe uma grande variedade de configurações para este tipo de sistema. Na verdade, a composição e disposição precisas dos elementos do BOP dependem em grande parte do tipo de célula de combustível, da temperatura de funcionamento, do combustível escolhido e da aplicação para a qual é utilizada. Além disso, as condições operacionais específicas e os requisitos do projeto individual de células e pilhas determinam as características do BOP.

Contudo, mesmo tendo em conta a diversidade e flexibilidade destes sistemas, é aconselhável mostrar pelo menos um exemplo dos componentes (ou etapas) que compõem um sistema baseado em células a combustível. A figura mostra um esquema de um sistema genérico baseado em células a combustível. Como pode ser observado, na primeira etapa, o combustível (hidrogênio, gás natural, metano, etc.) é introduzido no reformador no qual, através de uma transformação química, é produzido um gás rico em hidrogênio conhecido como “reformado” e como subproduto, o monóxido de carbono com nível de concentração inferior a 50 ppm.

A próxima etapa ocorre no sistema de purificação de gases, onde são eliminadas quaisquer impurezas que o produto reformado possa conter. Uma vez purificado, o hidrogênio está pronto para ser introduzido na célula a combustível. Nesta etapa, a energia elétrica é gerada através da reação eletroquímica com o oxigênio. O calor gerado na reação pode ser usado para pré-aquecer o combustível. No caso de células a combustível que operam em altas temperaturas (entre 600-1000 °C), o calor gerado poderia ser investido em cogeração, ou seja, pode ser utilizado para acionar turbinas a gás e gerar mais eletricidade, para unidades de dessulfurização, geração de produtos químicos, etc.[23]​.

Actualmente existe una gran variedad de pilas de combustible en diferentes etapas de desarrollo. Por ello, se pueden clasificar atendiendo a numerosas características. Las más comunes son las siguientes:[24]​.

1. • Según el tipo de combinación de combustible y oxidante. Los combustibles típicos son el hidrógeno molecular y el metanol, y normalmente oxígeno o aire como oxidante. Pero como se ha visto en la figura 2.4, se pueden alimentar con una amplia variedad de combustibles, como hidrógeno, metanol, biomasa, gasolina, carbón, etc.

2. • Según el tipo de electrolito usado. Por ejemplo: ácido fosfórico, membrana de polímero sólido, solución alcalina, etc.

3. • Según la temperatura de operación. Por un lado, tenemos pilas de combustible de baja o media temperatura (con temperaturas inferiores a 200 °C), como las PEM, las AFC y las PAFC. Por otro, las de alta temperatura, que sobrepasan los 600 °C, como las MCFC y las SOFC. Según la fuente que se consulte, los rangos son ligeramente distintos, por lo que esta clasificación no es estricta.

4. • Según su eficiencia. En este caso, el rango es distinto dependiendo del tipo de pila y del tipo de aplicación en la que se utilice. Por ejemplo, para una PEM tiene una eficiencia en torno a un 40%[24]​ en aplicaciones estacionarias y en torno a un 60% en aplicaciones para el transporte.

5. • Según el tipo de uso. Aplicaciones portátiles, estacionarias, de transporte, militares, espaciales, etc.

6. • Según su potencia. Pilas de baja potencia (alrededor de 5 kW en el caso de las DMFC, por ejemplo) y de alta potencia (100 kW a 2 MW en las SOFC, por ejemplo).[25]​.

7. • Según el catalizador utilizado. Típicamente, platino, metales no preciosos o el propio material de los electrodos. También pueden ser de paladio.[26]​.

La forma más usual de clasificación es por el tipo de electrolito que utilizan. Se pueden entonces establecer,[24]​ cinco tipos principales de pilas, que se describen a continuación.

Célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEM)

• - Eletrólito: membrana de polímero sólido.

• - Catalisador: platina.

• - Temperatura de operação: em torno de 80-95 °C.

• - Eficiência elétrica: 40-60%.

Os PEMs operam em temperaturas relativamente baixas, possuem alta densidade de potência e podem variar rapidamente sua produção de potência para se adaptarem à demanda de energia. Existem PEMs com potências que variam entre alguns watts e vários quilowatts, portanto podem ser usados ​​em uma infinidade de sistemas. Assim, até 2013 a potência máxima alcançada com uma central estacionária (instalação de energia fixa) do tipo PEM é de 1 MW, e foi instalada pela empresa japonesa Honda[6].

Os sistemas de células de combustível do tipo PEM são adequados para aplicações que exigem resposta operacional rápida. Assim, são utilizados nos mais diversos sistemas que se concentram no mercado de telecomunicações (industrial e doméstico) e em veículos de transporte de materiais, como empilhadeiras. São também utilizados em autocarros e espera-se que entre 2014-2016 possam ser comercializados veículos de passageiros (automóveis de passageiros como o mostrado na figura) da PEM. Os PEMs podem usar hidrogênio, metanol ou combustíveis reformados como combustível.

Nos PEMs, o eletrólito é uma membrana polimérica sólida contendo ácidos sulfônicos perfluorados e deve ser mantido totalmente hidratado durante a operação para promover a condução de prótons. Este requisito limita a temperatura de operação abaixo de 100 °C e é essencial para obter uma boa eficiência. Como a água é o único líquido utilizado, os problemas de corrosão são mínimos.[25]​.

Os principais desafios atuais no desenvolvimento deste tipo de baterias são: reduzir custos e aumentar a eficiência (o que se traduz na redução da espessura da camada catalítica de platina e na otimização da dispersão do catalisador); melhorar o desempenho da membrana polimérica (aumentar a condutividade iônica e a capacidade de retenção de água); e encontrar um material alternativo ao grafite para a placa bipolar que seja de alta condutividade elétrica e térmica, resistente à corrosão, mais leve e mais barato.[25]​.

Membrana de troca de prótons de alta temperatura (PEM de alta temperatura ou HT-PEM).

HT-PEMs são, em essência, PEMs que podem operar em altas temperaturas, entre 120 °C e 200 °C. Geralmente são utilizados em veículos e, menos comumente, para fornecer energia a edifícios. Os HT-PEM integram frequentemente um reformador (ou seja, um dispositivo capaz de reformar combustíveis fósseis ou álcoois em gás sintético constituído principalmente por hidrogénio e monóxido de carbono), o que permite que sejam alimentados com uma maior variedade de combustíveis.

Célula de combustível de metanol (DMFC)

• - Eletrólito: membrana de polímero sólido.

• - Catalisador: Platina.

• - Temperatura de operação: em torno de 50-120 °C.

• - Eficiência elétrica: acima de 40%.

Assim como os PEMs, os DMFCs usam uma membrana polimérica como eletrólito. Porém, em sistemas DMFC não é necessário que o combustível passe por um reformador, uma vez que o próprio ânodo catalisador extrai hidrogênio do metanol líquido. Como a temperatura mínima de operação deste tipo de bateria é baixa, o DMFC pode ser usado em pequenas aplicações, como telefones celulares (veja a figura à direita), laptops e carregadores de bateria para outros produtos eletrônicos [7] Arquivado em 14 de julho de 2014 no Wayback Machine., e também em aplicações de médio porte para alimentar a eletrônica de barcos ou cabines.

Neste tipo de baterias, o desafio é encontrar uma membrana que permita trabalhar a temperaturas superiores a 130 °C e que não apresente problemas de “crossover” (passagem do reagente anódico para o compartimento catódico através da membrana) e encontrar um catalisador anódico mais ativo para a oxidação direta do metanol.[25]​.

Células de Combustível Alcalinas (AFC)

• - Eletrólito: solução de hidróxido de potássio em água.

• - Catalisador: uma grande variedade de metais não preciosos pode ser usada.

• - Temperatura de operação: entre 105-245⁰C.

• - Eficiência elétrica: 60-70%.

O combustível e o oxidante usados ​​nos AFCs devem ser hidrogênio e oxigênio puros. Na verdade, o CO2 (ou CO) reage com o KOH e forma-se carbonato de potássio, o que reduz bastante a eficiência da célula a combustível.[25]​ Mesmo com pequenas concentrações (10 a 100 ppm) ocorre "envenenamento" da célula por monóxido ou dióxido de carbono.[27]​ Por esse motivo, eles são usados ​​principalmente no setor aeroespacial e em ambientes subaquáticos, figura 2.15.

A concentração do eletrólito é de cerca de 35-50% para temperaturas de operação abaixo de 120 °C, e pode operar a 250 °C quando a concentração é de 85%.[25]​.

Essas baterias são as que oferecem o maior desempenho. É uma das razões pelas quais são utilizados na exploração espacial, uma vez que o combustível deve ser colocado em órbita e a massa a ser elevada deve ser ótima. A NASA usa AFCs movidos a hidrogênio em missões espaciais desde 1960 para fornecer eletricidade e água potável.[28]​.

Célula de combustível de ácido fosfórico (PAFC)

• - Eletrólito: Ácido fosfórico líquido.

• - Catalisador: Platina baseada em carbono.

• - Temperatura de operação: entre 180-205⁰C.

• - Eficiência elétrica: 36-42%.

Os PAFCs podem usar hidrocarbonetos ou biogás como combustível. As reações no cátodo e no ânodo são semelhantes às que ocorrem nos PEMs, mas a temperatura de operação é mais elevada e eles também toleram melhor as impurezas que o combustível possa conter.

Os PAFCs são frequentemente usados ​​em cogeração. Hoje, a comercialização de PAFCs é generalizada. São frequentemente utilizados para fornecer eletricidade a edifícios com elevada procura de energia, tanto públicos como privados.

Em 1991, a UTC colocou no mercado a primeira usina de geração de energia baseada nesta tecnologia de célula de combustível. O sistema de energia PureCell, veja a figura, fornece 200 kW de potência e cerca de 850 J de energia a cada hora. O tempo de operação acumulado para todas as unidades vendidas excede 6 milhões de horas.[25]​.

Célula de combustível de carbonato fundido (MCFC)

• - Eletrólito: carbonatos alcalinos em matriz cerâmica.

• - Catalisador: dos eletrodos (não de platina).

• - Temperatura de operação: em torno de 650 °C.

• - Eficiência elétrica: 50-60%.

Neste tipo de células, a elevada temperatura de funcionamento permite a reforma interna do combustível, ou seja, a conversão do combustível em hidrogénio é feita dentro da própria célula. Como os MCFCs não são propensos à contaminação com CO ou CO2, podem até usar óxidos de carbono como combustível, o que os torna especialmente adequados para alimentá-los com gases de carvão. Os MCFCs são utilizados em aplicações estacionárias e em cogeração, para fornecer energia a edifícios públicos ou privados.

Esta tecnologia está em desenvolvimento há muito tempo. O link a seguir mostra uma foto de um sistema de potência de 100 W baseado na tecnologia MCFC e fabricado pela Texas Instruments em 1966. Os maiores expoentes no desenvolvimento desta tecnologia foram a MTU alemã e seu parceiro americano, Fuel Cell Energy.[25]​.

Célula de Combustível de Óxido Sólido (SOFC)

• - Eletrólito: óxido metálico cerâmico sólido ou não poroso.

• - Catalisador: material do eletrodo (não platina).

• - Temperatura de operação: 800-1000 °C.

• - Eficiência elétrica: 50-60%.

Esses tipos de células de alta temperatura são projetados para reformar hidrocarbonetos leves (como o gás natural) internamente. Portanto, se fossem utilizados hidrocarbonetos mais pesados ​​(como a gasolina), seria necessário um reformador externo.

Seu formato pode ser plano ou tubular. Esses tipos de baterias são usados ​​em uma longa lista de aplicações estacionárias em todo o mundo.[29]​.

Dado que estes tipos de baterias operam atualmente entre 800-1000 °C, o desafio é descer para 600-800 °C (IT-SOFC, "Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell"). A pesquisa concentra-se na redução da espessura da camada eletrolítica e na busca de novos materiais, à base de óxidos de lantanídeos ou com estrutura perovskita, que apresentem alta condutividade iônica em baixa temperatura.[25]​.

Comparação entre os diferentes tipos

Como resumo, a tabela a seguir compara os principais tipos de células de combustível no status de Marketing/pesquisa.

Outros tipos de células de combustível

A tabela a seguir apresenta outros tipos de células a combustível que se baseiam nos tipos principais, mas que possuem características próprias que as tornam interessantes tanto para aplicações gerais quanto específicas.

A função de Gibbs e o potencial de Nernst

Em uma célula a combustível, ocorre uma reação eletroquímica a temperatura e pressão constantes que nunca atingirá o equilíbrio. O trabalho que pode ser obtido nestas condições é denominado trabalho de não expansão[30]​ e seu valor máximo coincide com a variação da energia livre de Gibbs. No caso de uma reação eletroquímica, este trabalho é a energia elétrica necessária para liberar os elétrons, W, e é dado pela mudança na função de Gibbs, ΔG, da reação química (também é chamada de energia livre de reação):[30]​.

Esta expressão é particularmente útil para avaliar o trabalho elétrico que ocorre em células a combustível e células eletroquímicas. O trabalho elétrico é obtido levando-se em consideração o número n de elétrons que são liberados por cada molécula produzida na reação química e a diferença de potencial E que eles adquirem ao serem liberados. Este trabalho é igual a –neE, sendo e a carga do elétron. Se quisermos expressar a reação por mol em vez de por molécula, teremos que multiplicar n pelo número de Avogadro, o que nos dará nN elétrons para cada mol produzido. Portanto, o trabalho associado à geração de nN elétrons, com diferença de potencial E, é:[24]​.

O produto eN, que é a carga elétrica de um mol de elétrons, é chamado de constante de Faraday e é designado pela letra F. Portanto:.

sendo .[31]​.

O potencial E é conhecido como potencial de Nernst[24] e fornece a tensão elétrica que pode ser obtida quando uma reação eletroquímica ocorre de forma reversível. Esse potencial também é conhecido como força eletromotriz e é aquele obtido em condições de circuito aberto, ou seja, na ausência de corrente elétrica.

É usual encontrar a energia livre de reação, ou os dados necessários para calculá-la, (como entalpias e entropias) tabulados para o estado padrão "Condições padrão (química)") de T = 298,15 K e P = 1 atm. A referida energia de reação no estado padrão é denotada como ΔG. Para uma reação que não ocorre sob estas condições padrão pode ser escrita [32]​.

onde Q é o quociente de reação.

Dividindo a equação anterior por nF obtemos a chamada Equação de Nernst:.

onde E é conhecido como potencial padrão da célula, que nada mais é do que a energia padrão da reação de Gibbs expressa em Volts.

Como nas células a combustível é normal ter os reagentes e produtos no estado gasoso, então Q é obtido a partir das pressões parciais:[24][30]​.

onde ν e ν são os coeficientes estequiométricos da reação química. Portanto, o potencial de Nernst neste caso será:

O potencial de Nernst é equivalente à “força eletromotriz” ou “potencial de célula” de uma bateria, que é a diferença de potencial observada em uma bateria de circuito aberto.

Desempenho

O desempenho ou eficiência ideal da conversão química em elétrica é definido como o quociente entre a energia elétrica obtida no caso em que a corrente é infinitamente pequena, W ou como vimos na primeira seção desta seção, ΔG, e a energia química colocada em jogo ∆H, podemos escrevê-la como:.

A título de exemplo, o cálculo do desempenho ideal em condições padrão (T=298,15 K e P = 1 atm), η, pode ser feito para uma célula baseada na reação do hidrogênio com o oxigênio:.

onde a água produzida é líquida. Nestas condições:[24]​.

portanto,.

Para outras reações eletroquímicas o procedimento seria análogo.

O desempenho das células a combustível, diferentemente dos motores de combustão (interna e externa), não é limitado pelo ciclo de Carnot, uma vez que não seguem um ciclo termodinâmico. Portanto, seu desempenho é muito alto em comparação, convertendo energia química em energia elétrica diretamente.

A diferença de potencial entre os eletrodos da célula diminui quando existe corrente. Por conveniência, o desempenho de uma célula a combustível é frequentemente expresso em termos da relação entre a tensão ideal e a tensão real (na qual a célula a combustível opera), sendo esta última inferior à primeira devido às perdas ôhmicas e aquelas associadas aos mecanismos de polarização dentro da célula. A expressão da eficiência da célula a combustível é a seguinte:.

onde V é a tensão medida entre os eletrodos em condições reais de operação, e I é a intensidade da corrente que circula pelo circuito externo. Essa eficiência também é conhecida como eficiência de tensão.[33]​ Nesta expressão considera-se que todo o combustível está sendo utilizado, já que este é o caso na maioria dos motores a combustão. Porém, em células a combustível normalmente não é realizada a conversão completa do combustível e é necessário, para calcular a eficiência em tensão real, multiplicar a equação anterior por um fator que indique quanto combustível está sendo utilizado.

Portanto, embora o desempenho ideal pareça muito elevado, ele é reduzido pelas condições operacionais reais.

Uma célula de combustível normalmente converte a energia química do combustível em eletricidade com uma eficiência de aproximadamente 50%. O desempenho, contudo, depende em grande parte da corrente que flui através da célula de combustível: quanto maior a corrente, menor o desempenho.

Perdas devido à produção, transporte e armazenamento também devem ser consideradas. Os veículos com células de combustível que funcionam com hidrogénio comprimido têm uma eficiência de 22% se o hidrogénio for armazenado como gás de alta pressão e de 17% se for armazenado como hidrogénio líquido (estes números devem justificar a sua metodologia de cálculo).

As células de combustível não podem armazenar energia como uma bateria, mas em alguns usos, como usinas autônomas baseadas em fontes "descontínuas" (energia solar, eólica), elas são combinadas com eletrolisadores e sistemas de armazenamento para formar um conjunto para armazenar esta energia. A eficiência do processo reversível (da eletricidade ao hidrogénio e de volta à eletricidade) destas centrais situa-se entre 30 e 40%.

Comportamento real

Conforme indicado nas seções anteriores, o potencial de Nernst fornece a “força eletromotriz” da célula a combustível, ou seja, a diferença de potencial entre seus eletrodos na ausência de corrente elétrica. Uma vez que o circuito é fechado e a corrente começa a fluir, aparecem perdas potenciais relacionadas à condução de carga dentro do eletrólito e aos fenômenos de polarização. Como consequência, a diferença de potencial medida entre os eletrodos é menor que o ideal (potencial de Nernst) calculado na seção anterior.

Para visualizar claramente a diferença entre os dois potenciais, o potencial geralmente é representado em relação à densidade de corrente, dando origem à chamada curva de operação, também chamada de curva de polarização. Esta curva, conforme mostrado na figura à direita, apresenta três regiões principais de operação.

Conforme mostrado entre parênteses, cada uma das regiões mostradas no gráfico anterior tem uma fonte associada de perda de eficiência:[24]​.

• - Perdas de ativação: devido à baixa taxa de reações na região de polarização de ativação.

• - Perdas ôhmicas (resistivas): relacionadas ao fluxo de elétrons através do material do eletrodo, bem como à resistência ao fluxo de íons através do eletrólito na região de polarização ôhmica.

• - Perdas de concentração: alterações na concentração do gás ou no transporte de massa na região de polarização devido à concentração.

A seguir veremos com mais detalhes os tipos de perdas citadas.

Esses tipos de perdas se devem à lentidão das reações nos eletrodos. Para que as reações eletroquímicas comecem, como nas reações químicas comuns, os reagentes devem exceder a energia de ativação. Na realidade, não ocorre uma única reação nos eletrodos, mas várias, cada uma com sua própria velocidade e energia de ativação. Assim, as perdas de ativação são o resultado das perdas devidas a cada uma dessas reações sucessivas.

As perdas de ativação são expressas matematicamente pela equação de Tafel"):[34]​.

R≡constante do gás ideal medida em J/molK.

T≡temperatura de operação em K.

α≡coeficiente de transporte de elétrons (adimensional).

n≡número de elétrons por molécula (adimensional).

F≡Constante de Faraday em C/mol.

i≡corrente gerada em A.

i≡corrente de troca (depende do tipo de material), medida em A.

Esta equação é válida para valores de ΔE≥(50-100)mV.[34]​.

Segundo Barbir[35]​ os fatores que reduzem as perdas por ativação são:

• - Aumento da temperatura operacional.

Variáveis ​​que afetam a operação

O potencial de saída das células a combustível é afetado pelas condições de operação (temperatura, pressão, composição do gás, uso de reagentes, densidade de corrente), pelo design da célula e por outros fatores (impurezas, durabilidade do dispositivo) que fazem com que ela se afaste do valor ideal previamente calculado. Para mais informações sobre este tipo de perdas, consulte as seguintes referências.[24]​[35]​[37]​[38]​.

Energia

As células de combustível são muito úteis como fontes de energia em locais remotos, como naves espaciais, estações meteorológicas remotas, grandes parques, locais rurais e em certos usos militares. Um sistema de célula de combustível movido a hidrogênio pode ser compacto, leve e não ter grandes peças móveis. Como as células de combustível não têm partes móveis e não envolvem combustão, em condições ideais elas podem atingir até 99,9999% de confiabilidade.[39]​ Isso equivale a menos de um minuto de inatividade durante um período de seis anos.[39]​.

Aplicações de cogeração (uso combinado de calor e eletricidade) para residências, edifícios de escritórios e fábricas. Este tipo de sistema gera energia elétrica constantemente (vendendo o excesso de energia à rede quando não é consumida), e ao mesmo tempo produz ar e água quente graças ao calor que emite. As células de combustível de ácido fosfórico (PAFC) compreendem o maior segmento de aplicações de cogeração em todo o mundo e podem fornecer eficiências combinadas próximas de 80% (45-50% elétricas + o restante térmico). O maior fabricante de células de combustível PAFC é a UTC Power", uma divisão da United Technologies Corporation. Células de combustível de carbonato fundido (MCFCs) também são usadas para fins idênticos, e existem protótipos de células de combustível de óxido sólido (SOFCs).

Os sistemas eletrolisadores não armazenam combustível por si próprios, por isso requerem unidades de armazenamento externas, razão pela qual são normalmente utilizados em áreas rurais.[40]​ Neste caso, as baterias têm que ser grandes para atender à demanda de armazenamento, mas isso ainda representa economia em comparação com dispositivos elétricos convencionais.

Existem muitos tipos diferentes de células de combustível estacionárias, portanto as eficiências variam, mas a maioria tem entre 40% e 60% de eficiência energética.[41]​ No entanto, quando o calor residual da célula de combustível é usado para aquecer um edifício em um sistema de cogeração, essa eficiência pode aumentar para 85%,[41]​ ou seja, quase três vezes mais eficiente do que as usinas a carvão tradicionais.[42]​ Portanto, na produção em larga escala, as células de combustível podem economizar 20-40% em custos de energia quando usadas em sistemas de cogeração.[43] As células de combustível são muito mais limpas do que as centrais eléctricas tradicionais; Uma central eléctrica baseada em células de combustível que utilize gás natural como fonte de hidrogénio poderia gerar menos de uma onça (aproximadamente 28,35 gramas) de poluentes (além do CO2), por cada kW/h produzido, enquanto os sistemas de combustão convencionais gerariam 25 onças (708 gramas).[44]​.

Existe um programa experimental na Ilha Stuart, no estado de Washington,[45]​ onde a empresa Stuart Island Energy Initiative construiu um sistema completo no qual painéis solares geram a corrente para operar vários eletrolisadores que produzem hidrogênio. O referido hidrogénio é armazenado num tanque de 1900 litros, a uma pressão de 10 a 80 bar. Este combustível é usado para alimentar uma célula de combustível de hidrogênio de 48V da marca ReliOn que fornece energia elétrica suficiente para fins residenciais na ilha (ver link externo ao SIEI.ORG). Outro sistema deste tipo foi instalado em 2011 em Hempstead, NY.[46]​.

As células de combustível podem ser utilizadas com gás de baixa qualidade proveniente de aterros ou estações de tratamento de águas residuais para gerar energia e reduzir as emissões de metano. A maior usina de energia baseada em células de combustível é uma usina de 2,8 MW localizada na Califórnia.[47]​.

Protium, uma banda de rock formada na Ponaganset High School em Glocester, foi o primeiro grupo musical do mundo a usar células a combustível de hidrogênio para fornecer energia. A banda usou um sistema Ballard Power de 1kW Airgen Fuelcell. O conjunto tocou em vários eventos relacionados a células de combustível, incluindo o CEP em Connecticut e o Seminário de Células de Combustível de 2003 em Miami Beach.

Plug Power Inc. é outra empresa importante no projeto, desenvolvimento e fabricação de células de combustível PEM para aplicações estacionárias, incluindo produtos voltados para telecomunicações, energia básica e aplicações de cogeração.

Cogeração

Os sistemas combinados de calor e energia com células de combustível (CHP), incluindo sistemas micro combinados de calor e energia (MicroCHP), são usados ​​para fornecer calor e energia para residências, edifícios de escritórios e fábricas. Esses sistemas geram energia elétrica constantemente (vendendo o excedente à rede quando não consumido) e, ao mesmo tempo, produzem ar quente e água com calor residual. Como resultado, os sistemas CHP têm o potencial de economizar energia primária, pois podem utilizar o calor residual, que normalmente é rejeitado pelos sistemas de conversão de energia térmica.[48]​ A faixa de potência típica de uma célula de combustível doméstica é de 1–3 kWel / 4–8 kWth.[49]​[50]​ Os sistemas CHP conectados a resfriadores de absorção usam calor residual para resfriamento.[51]​.

O calor residual das células de combustível pode ser desviado no verão diretamente para o solo para resfriamento adicional, enquanto no inverno o calor residual pode ser bombeado diretamente para o edifício. A Universidade de Minnesota detém os direitos de patente para este tipo de sistemas.[52][53]​.

Os sistemas de cogeração podem atingir 85% de eficiência (40-60% elétrica e o restante térmico).[41]​ Células a combustível de ácido fosfórico (PAFC) são as mais amplamente utilizadas em produtos CHP no mundo e podem atingir eficiências combinadas próximas a 90%.[54]​[55]​ Células a combustível de carbonato fundido (MCFC) e células a combustível de óxido sólido (SOFC) também são usadas para sistemas combinados de produção de calor e energia e têm uma eficiência elétrica próxima de 60%.[56]​ As desvantagens desses sistemas de cogeração incluem altos custos e curta duração.[57]​[58]​ Além disso, a necessidade de ter um tanque para armazenar água quente para suavizar a produção de calor representa um sério problema para o mercado interno, uma vez que o espaço nas residências representa um grande custo.[59]​.

Veículos com células de combustível

Embora atualmente não existam veículos equipados com células de combustível disponíveis para venda em larga escala, mais de 20 protótipos de veículos com células de combustível (FECV) e carros de demonstração foram lançados desde 2009. Os modelos de demonstração incluem o Honda FCX Clarity, o Toyota FCHV, o Fiat Phyllis e o Mercedes-Benz F-Cell. Desde 2011, os carros de demonstração FECV percorreram mais de 4.800.000 km, com mais de 27.000 recargas. 53% e 59% com um quarto de sua potência e entre 42% e 53% em potência máxima[64]​ com uma durabilidade de 120.000 km com uma degradação inferior a 10%.[62]​ Em uma análise completa "do poço à roda"), que não leva em consideração restrições econômicas ou de mercado, a General Motors e seus parceiros estimaram que, por quilômetro percorrido, um veículo movido a hidrogênio gasoso comprimido consumia cerca de 40% menos energia e emitiu 45% menos gases de efeito estufa do que um veículo de combustão interna.[65] Um engenheiro-chefe do Departamento de Energia, cuja equipe está testando carros com células de combustível, disse em 2011 "que seu potencial atraente reside no fato de serem veículos totalmente funcionais, sem limite de recarga e, portanto, um substituto direto para qualquer veículo. Por exemplo, se você estiver dirigindo um SUV de tamanho máximo e quiser arrastar um barco montanha acima, isso pode ser feito com esta tecnologia e não pode ser feito com os veículos atuais que funcionam apenas com baterias, que são mais projetados para a condução urbana."

Alguns especialistas acreditam, no entanto, que os carros com células de combustível nunca se tornarão economicamente competitivos com outras tecnologias[67][68]​ ou que levará décadas até que se tornem lucrativos.[69][70]​ Em julho de 2011, o presidente e CEO da General Motors, Daniel Akerson, disse: “O carro ainda é muito caro e provavelmente não será prático até o final de 2020, não sei”, embora os preços dos carros com células de combustível de combustível de hidrogênio estivessem diminuindo.[71]​.

Em 2012, a Lux Research, Inc. publicou um artigo afirmando: “O sonho de uma economia do hidrogénio… não está mais próximo.” Concluiu dizendo: “O custo do capital… limitará a sua adopção a não mais de 5,9 GW” em 2030, com uma “barreira quase intransponível à adopção, excepto em áreas de mercado muito limitadas”. A análise concluiu dizendo que em 2030 o mercado de PEM estacionários atingiria um bilião de dólares, enquanto o mercado de veículos, incluindo empilhadores, um total de dois biliões.[72] Outras análises citam a falta de uma extensa infra-estrutura de hidrogénio nos Estados Unidos como um desafio para a comercialização de veículos eléctricos com células de combustível. Em 2006, um estudo para o IEEE mostrou que, para o hidrogênio produzido pela eletrólise da água: “Aproximadamente, apenas 25% da energia eólica, hídrica ou solar tem utilização prática”. O estudo, posteriormente, mencionou que: “parece que a energia obtida a partir de células de combustível de hidrogénio é quatro vezes mais cara do que a energia obtida a partir da rede... Porque as elevadas perdas de energia (hidrogénio) não podem competir com a electricidade” (95). Além disso, o estudo afirmou: A modificação do gás natural não é uma solução sustentável.”[73]​ A grande quantidade de energia necessária para isolar o hidrogênio de outros componentes naturais (água, gás natural, biomassa), armazenar o gás por compressão ou liquefação, transferir a energia para o usuário, mais a perda de energia quando é convertida em energia elétrica utilizável através de células de combustível deixa cerca de 25% para uso prático.[74]​[75]​[76]​.

Sistemas de energia portáteis

Os sistemas de energia portáteis baseados em células de combustível podem ser utilizados no setor de lazer (por exemplo, caravanas, cabines, barcos), no setor industrial (por exemplo, para alimentar poços remotos de gás ou petróleo, torres de comunicação, segurança, estações meteorológicas, etc.) e no setor militar.[126]​[127]​.

Outros usos possíveis

• - Usinas básicas").

• - Sistemas Auxiliares de Energia[128]​.

• - Fornece energia para estações de rádio base[129]​.

• - Sistemas de centralização de energia").

• - Sistemas de energia de emergência"), que incluem iluminação, geradores e outros dispositivos que fornecem suporte em situações críticas ou quando os sistemas normais falham. Eles podem ser usados ​​em muitos lugares, desde residências a hospitais, centros de pesquisa e centros de dados.[130]​.

• - Equipamentos de telecomunicações e equipamentos navais modernos.[131]​.

• - Sistema de alimentação ininterrupta UPS (fonte de alimentação ininterrupta), fornece energia em caso de emergência e, dependendo da topologia, regula a linha além do equipamento fornecer energia de uma fonte separada quando a outra não estiver disponível. Ao contrário de um gerador de reserva, ele fornece proteção instantânea contra interrupção momentânea da linha.

• - Células solares de combustível de hidrogénio para aquecimento de água.[132]​.

• - Veículos híbridos, utilizando, por exemplo, célula de combustível e bateria.

• - Sistemas de suporte à rede elétrica.

• - Portas portáteis para pequenos instrumentos eletrônicos (por exemplo, um clipe para cinto que carrega seu celular ou PDA).

• - Smartphones, notebooks e tablets.

• - Pequenos dispositivos de aquecimento[133]​.

• - Conservação dos alimentos, conseguida através da eliminação do oxigénio e da manutenção automática da ausência de oxigénio num recipiente contendo, por exemplo, peixe fresco.

• - Bafômetros, onde a tensão gerada pela bateria é utilizada para determinar a concentração de combustível na amostra (álcool)[134]​.

• - Detectores de monóxido de carbono"), sensor eletroquímico.

Atualmente, os maiores problemas estão nos materiais de suporte e catálise. Segundo vários autores (Venkatachalapathy, Davila et al. 1999), (Hoogers 2003), um material eletrocatalisador deve satisfazer vários requisitos. Necessita, em primeiro lugar, de alta eficiência na oxidação eletroquímica do combustível no ânodo (por exemplo, H ou CH) e na redução de O no cátodo. A alta durabilidade também é um requisito fundamental: espera-se que os PEMFCs operem por pelo menos 10.000 horas. É necessário que um eletrocatalisador tenha boa condutividade elétrica para minimizar perdas de resistência na camada catalítica. Deve finalmente ter um baixo custo de produção.

Em 2012, as receitas da indústria de células de combustível ultrapassaram US$ 1 trilhão no mercado de ações em todo o mundo.[135] No entanto, até outubro de 2013, nenhuma empresa pública do setor ainda era lucrativa.[136]140.000 pilhas de células de combustível foram enviadas globalmente em 2010, 11.000 a mais do que em 2007, e desde 2011 a 2012 a taxa de crescimento das remessas foi de 85%.[137] Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K") aumentou suas instalações para a produção de catalisadores de células de combustível para responder à demanda prevista, já que a ENE Farm japonesa esperava instalar 50.000 unidades em 2013[138]​ e a empresa está experimentando um rápido crescimento de mercado.

Cerca de 50% das remessas de células de combustível em 2010 foram células de combustível, contra um terço em 2009, e os quatro produtores dominantes na indústria de células de combustível foram os Estados Unidos, a Alemanha, o Japão e a Coreia do Sul.[139] O Departamento de Energia de Estado Sólido e a Aliança de Conversão de Energia descobriram que, em junho de 2011, as células de combustível estacionárias geravam energia a um preço de US$ 774 – US$ 775 por quilowatt instalado.[140]​ Em 2011, a Bloom Energy, um grande fornecedor de células de combustível, disse que suas células de combustível geravam energia a 9-11 centavos por quilowatt-hora, incluindo o preço do combustível, manutenção e equipamento.[141]​.

Grupos industriais prevêem que existem reservas suficientes de platina para a procura futura,[142]​ e em 2007, uma investigação conduzida no Laboratório Nacional de Brookhaven sugeriu que a platina poderia ser substituída por um revestimento de ouro e paládio, que poderia ser menos susceptível ao envenenamento e, portanto, prolongar a vida útil da célula de combustível.[143]​ Outra abordagem poderia ser a utilização de ferro e enxofre em vez de platina. Isto reduziria o custo das baterias (uma vez que a platina numa célula de combustível típica custa cerca de 1.500 dólares e o ferro necessário custaria 1,50 dólares). O conceito estava sendo desenvolvido por uma coalizão formada pelo Centro John Innes e pela Universidade de Milão-Bicocca").[144]​ Os cátodos PEDOT são imunes ao envenenamento por monóxido.[145]​.

As células de combustível são muito atractivas para utilizações avançadas devido à sua elevada eficiência e idealmente (ver energias renováveis) porque têm zero emissões, ao contrário dos combustíveis actuais mais comuns, como o metano ou o gás natural, que geram sempre dióxido de carbono. Quase 50% de toda a eletricidade produzida nos Estados Unidos provém do carvão, que é uma fonte de energia altamente suja. Se a eletrólise for usada para criar hidrogênio usando energia de usinas de energia, o hidrogênio será, na verdade, criado a partir do carvão. Embora a célula de combustível emita apenas calor e água como resíduos, o problema da poluição continuará presente nas centrais eléctricas.

Uma abordagem global deve considerar os impactos causados ​​por todo o cenário do hidrogénio, incluindo a produção, utilização, infraestruturas e conversores de energia. As células de combustível hoje são superdimensionadas com catalisador, para compensar sua própria deterioração [8]. A limitação das reservas minerais de platina levou à busca de outras soluções, por exemplo a síntese de um complexo inorgânico muito semelhante à base catalítica de sulfeto de ferro das bactérias hidrogenases [9]. As reservas mundiais de platina seriam insuficientes (um quarto) do que é necessário para permitir uma conversão completa de veículos em células de combustível: uma introdução significativa de veículos com tecnologia actual provocaria, portanto, um grande aumento no preço da platina e uma diminuição significativa nas suas reservas. No entanto, trabalhos recentes conseguiram projetar catalisadores de ferro e nitrogênio tão eficientes quanto os de platina, mas com vida útil menor (100 horas) [10].

• - Eletrodo: Extremidade de um corpo condutor em contato com um meio do qual recebe ou para o qual transmite uma corrente elétrica[146]​.

• - Ânodo: Eletrodo no qual ocorre oxidação. Para células a combustível e outras células galvânicas, o ânodo é o terminal negativo; Para células eletrolíticas (nas quais ocorre a eletrólise), o ânodo é o terminal positivo.[147]​.

• - Cátodo: Eletrodo no qual ocorre a redução (ganho de elétrons). Para células a combustível e outras células galvânicas, o cátodo é o terminal positivo; Para baterias eletrolíticas, o cátodo é o terminal negativo.[147]​.

• - Eletrólito: Uma substância que conduz íons carregados de um eletrodo para outro em uma célula de combustível, bateria ou eletrolisador.[147]​.

• - Empilhamento: Células de combustível individuais conectadas em série. As células de combustível são empilhadas para aumentar a tensão.[147]​.

• - Solução: A: processo pelo qual uma substância sólida, líquida ou gasosa é misturada homogeneamente com um líquido ou, às vezes, com um gás ou com um sólido; B: mistura homogênea formada por esse processo; C: a condição de ser dissolvido[148]​.

• - Catalisador: Uma substância química que aumenta a velocidade de uma reação sem ser consumida.[147]​.

• - Matriz: lugar a partir do qual ou dentro do qual algo se origina, se desenvolve ou toma forma.[149]​.

• - Membrane&action=edit&redlink=1 "Membrana (barreira seletiva) (ainda não elaborada)"): A camada de separação em uma célula de combustível que atua como um eletrólito e como uma película de barreira que separa gases nos compartimentos anódico e catódico da célula de combustível.[147]​.

En esta sección se resumirán los principales aspectos referidos a treinta y cinco videos seleccionados y se hará breve una reseña de los mismos. La selección se ha centrado en videos de carácter divulgativo y sobre todo, en los que tratan los aspectos científicos y técnicos de las pilas de combustible. Sin embargo, con el fin de complementar el rigor científico de los otros videos, también se han seleccionado videos cuyas explicaciones son escuetas pero que nos ofrecen una perspectiva visual del dispositivo que estamos tratando y de sus aplicaciones. La lista consta de 11 videos en español y 24 en inglés. El enlace directo a la lista de reproducción es el siguiente:.

Pilas de Combustible.

Vídeos em espanhol

1º Células de combustível..

• - Link direto.

• - Autor: Universidade de Vigo, Prof. Anxo Sánchez Bermúdez.

• - Duração: 19:55 minutos.

• - Descrição: introdução às células a combustível. Define claramente este tipo de dispositivo e fala sobre seus diferentes aspectos de forma geral e sem entrar em detalhes. Porém, deve-se levar em consideração que ao falar das características, vantagens e desvantagens, ele se refere principalmente à célula a combustível de hidrogênio. Trata-se portanto de um vídeo de carácter informativo e muito útil para uma primeira abordagem ao tema.

2ª Série de Vídeos: Energia do Hidrogênio..

• - Link direto.

• - Autor: Universidade Politécnica de Madrid, realizado por estudantes.

• - Duração: 1:58 horas.

• - Descrição: são nove apresentações feitas por alunos da UPM sobre células a combustível de hidrogênio e suas diferentes aplicações; Cada apresentação enfoca um aspecto diferente. O interesse destes vídeos reside no facto de mostrarem e analisarem um grande número de aplicações que estes dispositivos podem ter. Embora se concentrem em aspectos e aplicações específicas, geralmente podem ser compreensíveis para o público não especializado, uma vez que normalmente não são apresentados detalhes muito técnicos e algumas das apresentações começam com uma breve introdução sobre células a combustível. Abaixo segue a descrição de cada um dos vídeos que compõem a série:

• Aplicações estacionárias dos diversos tipos de células a combustível: São descritas as principais características dos diferentes tipos de células a combustível e suas aplicações na geração de energia estacionária.

• Aplicações automotivas: São descritos os protótipos fabricados por diferentes empresas automobilísticas: é apresentado o estado da implementação comercial de automóveis movidos a células de combustível.

• Aplicações portáteis de células a combustível: A escolha do combustível no caso de células a combustível utilizadas em aplicações portáteis é discutida e alguns protótipos são mostrados.

• Uso de hidrogênio em veículos aeroespaciais 1: É explicado o escopo de aplicação e uso de células de combustível em ônibus espaciais e aeronaves tripuladas e não tripuladas.

• Uso de hidrogênio em veículos aeroespaciais 2: Continua onde termina o vídeo anterior, complementando-o. São explicados os tipos de propulsão dos veículos aeroespaciais que utilizam hidrogênio: células a combustível, motores de combustão interna e sistemas híbridos. O “Projeto Aviazor” é detalhado.

• Projetos que desenvolvem propulsão de veículos aeroespaciais com hidrogênio: O tema do vídeo 5 continua, descrevendo as diferentes etapas e características dos projetos, alguns projetos como: "Ion Tiger", "Solareagle", "Phantom Eye" e "Global Observer".

• Aplicações de células a combustível no ambiente marinho: É apresentada uma visão geral do que é uma célula a combustível, sua classificação e suas principais vantagens. É oferecida uma breve visão geral das possíveis aplicações dos diferentes tipos de células de combustível no ambiente marinho.

• Aplicações de células de combustível em dispositivos subaquáticos: São descritos os submarinos existentes que possuem células de combustível em sua propulsão. Explica o que é um sistema AIP (Air Independent Propulsion). Em particular, é explicado o submarino S-80, que utilizará hidrogênio do bioetanol reformado para alimentar células de combustível PEMFC. Dispositivos subaquáticos autônomos não tripulados também são descritos.

• Aplicações de células a combustível em navios de superfície: São descritos projetos de embarcações de superfície que incorporam células a combustível em seu sistema de propulsão principal ou para atendimento ao consumo elétrico ou como unidades auxiliares de energia. É estudado o efeito da redução de emissões como consequência do uso de células de combustível no mundo marinho.

3ª célula de hidrogênio..

• - Link direto.

• - Autor: Tecnópolis. Apresentado por Vicente López.

• - Duração: 1:40 minutos.

• - Descrição: Explicação breve, mas concisa, sobre o veículo com célula de combustível a hidrogênio e a viabilidade do hidrogênio como vetor energético, destacando as vantagens ambientais de seu uso.

• - Link direto.

4º Ônibus com células a combustível..

• - Link direto.

• - Autor: Cursos CEER.

• - Duração: 1:53 minutos.

• - Descrição: explicação dinâmica com figuras e texto sobre o funcionamento de uma célula a combustível tipo PEM. Os principais componentes são descritos e sua localização específica na pilha é mostrada. Por fim, sua aplicação é vista em um veículo de transporte (ônibus).

5º Produzir eletricidade através de usinas..

• - Link direto.

• - Autor: Euronews.

• - Duração: 1:58 minutos.

• - Descrição: Este vídeo mostra como as plantas verdes geram eletricidade. Este é o projeto Plant-e da Universidade de Wageningen, na Holanda. A célula de combustível microbiana da planta gera eletricidade a partir da interação natural entre as raízes das plantas e as bactérias do solo. Funciona aproveitando até 70% da matéria orgânica produzida pela fotossíntese que não é aproveitada pela planta e é secretada pelas raízes. As bactérias que ficam próximas às raízes interagem com os resíduos orgânicos, liberando elétrons. E é assim que a eletricidade é gerada: colocando um eletrodo que absorve os elétrons liberados.

6º Células de combustível..

• - Link direto.

• - Autor: Universidade Politécnica de Valência, Javier Orozco Messana.

• - Duração: 11h01 minutos.

• - Descrição: Esta é uma introdução às células de combustível. Começa com uma breve definição. Continue com um passeio histórico. Posteriormente, foca na operação, tomando como exemplo uma célula de hidrogênio e depois fala sobre os demais tipos de baterias.

Vídeos em inglês

1º Como funciona uma célula a combustível?.

• - Link direto.

• - Autor: Álbum de recortes da Naked Science.

• - Duração: 4:01 min.

• - Descrição: Introdução às células de combustível. As explicações são feitas por meio de desenhos em caderno acompanhados de narração. Começa por anunciá-los como a possível tecnologia do futuro e refere-se às suas possíveis aplicações em diferentes dispositivos. Explica seus princípios operacionais usando uma célula de hidrogênio como exemplo e depois explica a operação e aplicações de PEMFCs, AFCs e SOFCs. Ele alude repetidamente às vantagens que estes dispositivos oferecem sobre os métodos tradicionais de obtenção de eletricidade.

2º Como funciona uma célula a combustível?.

• - Link direto.

• - Autor: Equipe de Células de Combustível Alternativas da Universidade de Waterloo.

• - Duração: 1:51 minutos.

• - Descrição: explicação informativa sobre o funcionamento do carro com célula de combustível a hidrogênio. É mostrada sua localização dentro do veículo, bem como a do combustível. A operação é explicada, o que acontece dentro de uma célula individual através de uma animação.

3ºConstruindo uma Pilha de Células de Combustível..

• - Link direto.

• - Autor: Centro de Pesquisa Energética Schatz.

• - Duração: 11h05 minutos.

• - Descrição: este vídeo mostra o processo de montagem de uma pilha de células a combustível tipo PEM. Começa explicando brevemente o mecanismo de funcionamento de uma célula a combustível deste tipo. Por fim, mostramos como montá-lo passo a passo, tudo acompanhado das respectivas explicações.

4º Carro de Célula de Combustível de Água Salgada da OWI..

• - Link direto.

• - Autor: ABC News.

• - Duração: 1:45 minutos.

• - Descrição: O vídeo mostra um carrinho de brinquedo cujo combustível é água salgada que pode funcionar continuamente por 5 a 7 horas. Este carro dá a crianças e adultos a oportunidade de aprender sobre formas de energia limpa.

5º veículo com célula de combustível da Toyota: um carro com emissão zero chegando em 2015!.

Literatura

• - Gregor Hoogers, Hoogers Hoogers - Manual de Tecnologia de Célula de Combustível - Editora:CRC Press Janeiro de 2003 - ISBN 0-8493-0877-1.

• - Venkatachalapathy, R., GP Davila, et al. (1999). "Decomposição catalítica de peróxido de hidrogênio em soluções alcalinas." Comunicações Eletroquímicas 1:614-617.

• - O Wikimedia Commons hospeda uma galeria multimídia sobre Fuel Cell.

• - Células de Combustível (animações).

• - Células de Combustível.

• - Fuel Cell ou Célula, Vídeo curto do Discovery Channel.

• - Célula ou Célula de Combustível (PEMFC), animação.

• - Eletrocélula - Célula de Combustível, Pilhas, Equipamentos de Teste.

• - A célula de combustível.

• - Sistemas Ballard Power.

• - Reino da Célula de Combustível de Hidrogênio.

• - EERE: Tipos de Células de Combustível.

• - EERE: Hidrogênio, Programa de Infraestrutura e Célula de Combustível do Governo dos EUA.

• - Como Funciona: Células de Combustível.

• - Comércio de Hidrogênio: Tipos de células a combustível.

• - PhysicsWorld: Células de combustível.

• - FuelCell Energy Inc.

• - UTC Power, uma subsidiária da United Technologies Corporation.

• - Plug Power Sistemas de Célula de Combustível.

• - Veículos movidos a hidrogénio.

• - Iniciativa Energética da Ilha Stuart (em inglês).

• - Células de combustível baseadas em Goretex para veículos híbridos.

• - Engajamento.

• - Principais componentes das células a combustível.

• - National Geographic. Células de combustível.

• - História Americana.

• - Fuelcells.org Informações sobre células de combustível.

• - Associação Espanhola de Hidrogénio.

• - Manual de Célula de Combustível DOE (imagens do livro explicadas).

• - Revisão da Indústria de Células de Combustível 2012.

• - Tipos de células a combustível.

• - Avanços nas Células de Combustível.

• - Uma célula de combustível espanhola supera a meta de potência estabelecida pelos Estados Unidos.

• - Células a combustível: da célula Volta aos carros elétricos (UNED).

• - Uma célula de combustível "Made in UNED".

• - Raízes de plantas e bactérias: uma fonte inesperada de eletricidade.

• - "O salto para o hidrogênio."

• - "Tudo o que você sempre quis saber sobre opções de tecnologia de armazenamento de energia elétrica."

• - "A descoberta recente do DOE com células de combustível de hidrogênio deve torná-las acessíveis."

• -NÓS. Departamento de Energia. Programa de Hidrogênio e Células de Combustível. Relatório Anual de Progresso de 2013 Arquivado em 14 de julho de 2014 na Wayback Machine.

• - Motorola lidera cobrança por células de combustível portáteis Arquivado em 14 de julho de 2014 na Wayback Machine.

• - Uma célula de combustível poderia explicar como a vida surgiu na Terra.

• - GEI Global Energy Corp. anuncia pedido de geração de energia a biogás arquivado em 14 de julho de 2014 na Wayback Machine.

• - Gestão da água em células de combustível regenerativas.

• - HIDROGÉNIO E CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL: SEGURANÇA ENERGÉTICA E SUSTENTABILIDADE.