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Os princípios básicos das células a combustível
Explore detalhes científicos, aplicações industriais e os benefícios-chave da descarbonização desta tecnologia de energia limpa crucial.
O que é uma célula a combustível de hidrogênio?
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As células a combustível de hidrogênio são dispositivos que convertem a energia química do hidrogênio em eletricidade. Eles funcionam por meio de um processo eletroquímico no qual o hidrogênio se combina com o oxigênio para formar água, gerando eletricidade como subproduto.
Como tecnologia de energia limpa altamente promissora, as células a combustível de hidrogênio serão essenciais para os esforços da descarbonização industrial. Até agora, as células a combustível de hidrogênio têm sido usadas em aplicações que incluem veículos pesados com células a combustível, naves espaciais, centros de dados, armazéns e muitas outras. Os potenciais usos futuros variam de dispositivos eletrônicos portáteis, para hospitais e aplicações militares.
Como elas funcionam?
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As células a combustível de hidrogênio funcionam como eletrolisadores em sentido reverso. Enquanto os eletrolisadores usam eletricidade para quebrar a água em hidrogênio e oxigênio, as células a combustível geram eletricidade ao combinar hidrogênio e oxigênio para formar água.
O combustível de hidrogênio é fornecido no lado do ânodo da célula a combustível a partir de um tanque de armazenamento externo, enquanto o oxigênio no lado do cátodo é retirado do ar. O hidrogênio é oxidado (perde elétrons, ficando com carga positiva) no ânodo, enquanto o oxigênio é reduzido (ganha elétrons, ficando com carga negativa) no cátodo. Um eletrólito é usado para transferir íons entre o cátodo e o ânodo. A água é formada no cátodo ou no ânodo, dependendo do tipo de célula a combustível.
Durante a oxidação, o excesso de elétrons viaja através de um circuito de carga externo do ânodo até o cátodo. Esta corrente elétrica fornece a potência de saída da célula a combustível.
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Tipos de células a combustível de hidrogênio
Existem quatro tipos principais de tecnologias de células a combustível de hidrogênio, diferindo principalmente no eletrólito usado para iniciar a oxidação. Cada uma tem suas próprias vantagens.
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Células a combustível PEM
As células a combustível de membrana de troca de prótons (PEM) também são conhecidas como células a combustível de membrana eletrolítica polimérica. O hidrogênio é fornecido no ânodo e é oxidado por meio de um catalisador. Os íons de hidrogênio passam através da PEM para chegar ao cátodo, enquanto os elétrons chegam ao cátodo através de um circuito de carga externo. O oxigênio é reduzido no cátodo, onde se combina com íons de hidrogênio para formar água. A corrente criada pelo fluxo de elétrons fornece a potência de saída da célula a combustível PEM.
As células a combustível PEM de hidrogênio operam em temperaturas mais baixas (normalmente 50-100 °C) do que outras células a combustível de hidrogênio, ao mesmo tempo que fornecem altas densidades de potência e rápidos tempos de inicialização. Elas estão sendo desenvolvidas principalmente para o setor de transporte, incluindo veículos de passageiros e comerciais, assim como para possíveis aplicações aeroespaciais.
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Células a combustível de óxido sólido
As células a combustível de óxido sólido são altamente duráveis e energeticamente eficientes, sendo ideais para aplicações nas quais o calor residual pode ser recuperado. Ao contrário das células a combustível PEM, seus longos tempos de inicialização e altas temperaturas operacionais, de até 1.000 °C, tornam elas inadequadas para a maioria das aplicações de transporte. Células a combustível de óxido sólido estão sendo desenvolvidas principalmente para geradores de energia estacionários em edifícios como hospitais e centros de dados.
Devido às suas altas temperaturas operacionais, as células a combustível de óxido sólido precisam ser extremamente duráveis. Componentes da célula a combustível feitos com Fibras e Têxteis Cerâmicos 3M™ Nextel podem suportar temperaturas e ciclos térmicos extremos para ajudá-lo a proteger a integridade da pilha e prolongar a vida útil da célula.
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Células a combustível alcalinas
As células a combustível alcalinas utilizam um eletrólito alcalino aquoso (geralmente o hidróxido de potássio) para conduzir íons de hidróxido do cátodo ao ânodo. Células a combustível alcalinas de estado sólido usando uma membrana de troca aniônica também vêm sendo testadas. A água é formada no ânodo, gerando um fluxo de elétrons no circuito de carga.
As células a combustível alcalinas são o tipo mais antigo de células a combustível de hidrogênio. Inventadas em 1932, elas foram usadas pela NASA nas missões Apollo de 1968 a 1972. Embora as células a combustível alcalinas tenham sido amplamente substituídas pelas alternativas de PEM ou óxido sólido, elas ainda são usadas em aplicações espaciais devido à sua alta eficiência energética e confiabilidade. Custos materiais relativamente baixos são outro benefício das células a combustível alcalinas.
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Células a combustível de ácido fosfórico
As células a combustível de ácido fosfórico usam um eletrólito de ácido fosfórico líquido. De forma semelhante às células a combustível PEM, os íons de hidrogênio passam através do eletrólito até o cátodo, enquanto os elétrons fluem através do circuito de carga. Os íons de hidrogênio se combinam com o oxigênio para formar água no cátodo.
Comparadas a outras células a combustível de hidrogênio, as células a combustível de ácido fosfórico apresentam maior tolerância a impurezas como CO₂ no fluxo de combustível. Isso permite o uso do hidrogênio produzido a partir da reforma a vapor, que emite CO₂ como subproduto. Operando em temperaturas de 150-200 °C, elas oferecem uma coleta eficaz do calor residual sem as temperaturas extremas das células a combustível de óxido sólido.
Abrindo as portas para a tecnologia de energia limpa
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A importância do hidrogênio verdeDe forma ampla, a expectativa é que as células a combustível de hidrogênio desempenhem um papel fundamental no apoio à transição para energias limpas e na ajuda ao cumprimento das metas climáticas globais. Durante a operação de uma célula a combustível, apenas três coisas são criadas: eletricidade, calor e água.
No entanto, isso não necessariamente torna as células a combustível de hidrogênio uma tecnologia com zero emissões. O CO₂ ainda pode ser emitido durante a produção de hidrogênio, dependendo das matérias-primas e fontes de energia usadas.
O hidrogênio produzido por meio da eletrólise da água, usando fontes de energia renováveis de baixa emissão, como a eólica ou a solar, é chamado de hidrogênio verde. As células a combustível abastecidas com hidrogênio verde podem fornecer energia substancial com uma pegada de carbono muito pequena, ajudando a reduzir a dependência da indústria aos combustíveis fósseis e a pavimentar o caminho seguir o caminho da descarbonização.
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Um transportador de energia renovávelÉ importante entender que o hidrogênio não é uma fonte de energia. Ao contrário dos combustíveis fósseis, que surgem naturalmente no subsolo e fornecem energia quando são extraídos e refinados, a produção de hidrogênio sempre consome mais energia do que fornece como combustível.
Na verdade, o hidrogênio é um transportador de energia. Ele permite o armazenamento, o transporte e a utilização de energia originalmente fornecida por outras fontes.
Para fontes de energia intermitentes, como a eólica ou a solar, a produção de combustível de hidrogênio é um meio de armazenar o excesso de energia gerado durante os períodos de pico de produção. As células a combustível permitem que esta energia seja acessada fora dos períodos de pico e em aplicações (como em veículos) que estão muito distantes da fonte de energia. Este é o papel fundamental que as células a combustível de hidrogênio desempenham na tecnologia de energia limpa e na descarbonização da indústria.
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Vantagens em relação às baterias
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Assim como as baterias elétricas de íons de lítio, as células a combustível de hidrogênio permitem que a energia renovável seja utilizada em uma grande variedade de aplicações. Mas, ao contrário das baterias, as células convertem o combustível de um tanque de armazenamento de hidrogênio em energia, em vez de armazenar a energia por conta própria.
As células a combustível de hidrogênio oferecem várias vantagens em relação às baterias de íons de lítio.
Primeiramente, o hidrogênio é muito mais denso em energia do que uma bateria típica. Em aplicações automotivas, uma célula a combustível de hidrogênio e um tanque de armazenamento podem permitir um maior alcance, com menos peso, do que projetos semelhantes de veículos movidos a bateria.
Em segundo lugar, o reabastecimento das células a combustível é, em média, muito mais rápido do que a recarga das baterias. Isso é fundamental no transporte comercial e de mercadorias (caminhões semirreboques de longas distâncias e vans de entrega de última milha), nos quais os tempos de inatividade dos veículos devem ser minimizados.
Finalmente, as células a combustível de hidrogênio proporcionam uma vida útil muito mais longa do que a maioria das baterias de íons de lítio e permitem uma melhor reciclabilidade no final da vida útil. Isso diminui a pegada de carbono resultante da fabricação das células a combustível.
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