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UNIVERSIDADECATÓLICA DE
BRASÍLIA
PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
Curso de Física
CÉLULAS COMBUSTÍVEIS: UMA ABORDAGEM CONTEMPORÂNEA
Autor: Daniel Alves Costa
Orientadores: Prof. Dr. Paulo Henrique Alves Guimarães
BRASÍLIA 2007
DANIEL ALVES COSTA
CÉLULAS COMBUSTÍVEIS: UMA ABORDAGEM CONTEMPORÂNEA
Trabalho de Conclusão de Curso submetido à Universidade Católica de Brasília para obtenção do Grau de Licenciado em Física. Orientadores: Dr. Paulo Henrique Alves Guimarães
Brasília Novembro 2007
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Resumo
A crescente preocupação com a preservação do meio ambiente e a busca por alternativas capazes de diminuir o aquecimento global foram os pontos chaves para a realização criação desse material. É mostrado brevemente o quanto os combustíveis fósseis são poluentes e os problemas que podem desencadear nos seres humanos os altos níveis desses gases tóxicos liberados na atmosfera. Nesse trabalho serão focadas as células combustíveis, desde seu surgimento até os dias atuais, mostrando que estas, representam uma alternativa promissora para a substituição dos combustíveis fósseis. Será analisado seu funcionamento básico, os diversos tipos de células combustíveis e suas diferenças. Será dada também uma atenção maior as Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), visto que, são as com maiores vantagens para a utilização em automóveis. Mostraremos ainda as vantagens e desvantagens de todos os tipos de células combustíveis tentando mostrar alguns pontos que impedem a produção e utilização em massa dessa nova tecnologia. Palavra-chave: Células Combustíveis.
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Introdução
A Revolução Industrial e a explosão urbana ocorridas no século XIX causaram impactos
devastadores à natureza, principalmente no que diz respeito à poluição atmosférica. Nos
anos 60 e 70 esses problemas ambientais foram agravados, e adquiriram proporções
dramáticas, tanto pela intensificação quanto pela extensão do problema. Atualmente a
poluição atmosférica se tornou um problema crítico, e a preocupação com esse fato abrange
toda a sociedade (Braun, 2003).
Com o objetivo de diminuir a emissão de gases poluentes, alguns governos passaram a
estabelecer regulamentações específicas cada vez mais rígidas, a fim de conter poluentes
como monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), óxidos de enxofre e de
nitrogênio (SOx e NOx) de hidrocarbonetos entre outros materiais particulados emitidos após
a queima de combustíveis fósseis. O controle das emissões gasosas provenientes da
queima de combustíveis fósseis e, mais particularmente de motores a diesel, têm recebido
especial atenção devido ao fato de serem utilizados em diversas funções que necessitam de
elevada potência abrangendo 100% dos veículos de carga pesada, 60% dos veículos de
carga leve e 20% dos veículos de transporte em circulação na Europa (Braun, 2003) e
grande parte da frota terrestre dos EUA.
O desenvolvimento de novas tecnologias para o controle das emissões de particulados e
de gases tóxicos proveniente dos motores convencionais se apresenta como um desafio de
altíssimo interesse ambiental e financeiro. Diante disso, esse trabalho tem como objetivo o
estudo das células combustíveis, onde o foco principal será dado a um tipo específico de
células combustíveis, as PEMFC, pois essas apresentam as características mais
promissoras para a aplicação em automóveis. Serão abordados outros tipos de células
combustíveis, seus mecanismos de funcionamento, assim como vantagens e desvantagens
do uso dessa nova tecnologia.
1. Histórico sobre o desenvolvimento dos motores a diesel nos carros e seus respectivos combustíveis.
Os motores de combustão interna podem ser separados em dois grupos: os que sofrem
ignição por centelha e os que sofrem ignição por compressão. Esses motores apresentam
características distintas no que diz respeito ao tipo de combustível utilizado, modo de
operação, aspectos econômicos e, mais importante, ao tipo de gases emitidos. Por isso,
essa sessão aborda uma análise comparativa desses motores com o objetivo de evidenciar
a importância dos motores a diesel e os tipos de compostos presentes na exaustão dos
mesmos.
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A origem dos motores de combustão remonta ao final do século XIX quando Rudolf
Diesel e Nikolaus A. Otto construíram os primeiros motores de ignição por compressão e
centelha, respectivamente. Os motores de combustão por centelha utilizavam inicialmente
gás comprimido até que em 1883 Karl Benz e Gottlieb Daimler aperfeiçoaram o modelo
construído por Otto N. A. de modo a utilizar gasolina como combustível. Já os motores de
ignição por compressão utilizavam inicialmente óleos vegetais como combustíveis, depois
passaram a utilizar o óleo diesel proveniente do petróleo. Atualmente existe uma tendência
gradual da utilização de misturas do diesel de petróleo com óleos vegetais esterificados ou
transesterificados (Biodiesel) (Van Gerpen, 2005).
A gasolina e o diesel são misturas de hidrocarbonetos extraídos do petróleo pelo
processo de destilação fracionada nas faixas de 80-120ºC e 160-410ºC, respectivamente.
Os diferentes comprimentos das cadeias carbônicas do diesel (C9-C28) e da gasolina (C6-C12)
refletem não só nas faixas de destilação, mas também nos pontos de ignição desses
combustíveis (Braun, 2003). Essa última propriedade explica o porquê do motor a diesel
precisar do calor obtido na compressão do ar antes de injetar o combustível, já que este
possui um maior ponto de ignição.
Os motores diesel podem funcionar tanto em dois como em quatro tempos, sendo que
a grande maioria dos motores atualmente em funcionamento opera em quatro tempos
(Santos, 2007). No primeiro tempo ocorre a injeção de ar no cilindro, seguido da
compressão do cilindro no segundo tempo que aumenta a temperatura do gás até a faixa de
700-900 ºC. No terceiro tempo o combustível é adicionado ao cilindro na forma de um
aerossol que explode ao entrar em contato com o ar quente gerando o trabalho mecânico.
Finalmente, ocorre uma segunda compressão onde os produtos da combustão (Braun,
2003) do diesel são expelidos do cilindro e conduzidos até o cano de escape onde são
liberados na atmosfera.
Os motores a gasolina também funcionam em quatro tempos, porém no primeiro ciclo
ocorre a injeção de uma mistura do combustível e ar, em uma razão pré-determinada, que é
comprimida no segundo ciclo. No terceiro ciclo ocorre à ignição da mistura comprimida
utilizando uma centelha produzida na vela do motor e, finalmente o quarto ciclo elimina os
produtos de combustão.
Os motores diesel ganharam notável importância nos mercados europeus e americanos,
como citado anteriormente, devido às diversas vantagens econômicas oferecidas pelos
mesmos. Este tipo de motor possui maior rendimento energético, durabilidade e robustez, o
que significa dizer que ele produz mais potência por litro de combustível, tem uma vida útil
bem maior do que os motores de centelha (cerca de 10 vezes) e, mais importante, com
baixíssimos custos de manutenção (Neeft, 1997; Hill, 1997).
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1.1 Problemas ambientais causados pelo aumento do número desses carros.
Os gases emitidos pelos motores a diesel podem ser agrupados em três categorias
distintas: aqueles que não oferecem risco a saúde humana como N2, H2O, O2 e CO2;
aqueles que oferecem risco a saúde humana e estão regulamentados como CO, HC, óxidos
de enxofre e nitrogênio (SOx e NOx) e os materiais particulados; e aqueles que são tóxicos e
ainda não estão regulamentados como aldeídos, amônias, tolueno, cianetos e os
hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (PAH). Estes últimos, em associação com os
particulados, são especialmente perigosos por apresentarem comprovado caráter
carcinogênico, através da formação de adutos com o DNA (Perera, 1997), podem sofrer
reações de nitração e oxidação (Tanner, 1983) afetando o equilíbrio atmosférico além de
agirem como estrógeno ambiental reduzindo a fertilidade de machos de diversas espécies
(Hill, 1997).
Tabela 1 - Concentrações médias, em g por Kg de combustível, de alguns compostos emitidos na exaustão de máquinas à diesel e à gasolina do final da década de 80 (Braun, 2003).
A análise comparativa dos motores de compressão e de centelha (Tabela 1) mostra que
além das vantagens econômicas, os motores de compressão emitem menores quantidades
de CO, NOx e de HC em relação aos de centelha. No entanto, o mecanismo de compressão
e a utilização do diesel como combustível faz com que ocorra a geração de maiores
quantidades de particulados (MP), SOx e PAH (Neeft, 1996; Braun, 2003).
1.2 A busca pelos combustíveis alternativos
Devido os problemas acima mencionados, houve uma crescente busca por
tecnologias que poderiam vir a substituir a utilização de combustíveis fósseis para a geração
de energia. Esse processo de geração de energia deveria ocorrer de forma sustentável, isto
é, sem o esgotamento dos recursos naturais e sem a deterioração das condições
ambientais. Nesse contexto, o hidrogênio pode modificar a forma como a energia é utilizada
e distribuída hoje em dia.
O hidrogênio vem sendo considerado como um “combustível limpo” por não ser
poluente e que pode ser produzido a partir da energia solar, eólica, da eletrólise da água,
sendo assim, uma fonte de energia inesgotável de energia renovável para a humanidade.
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Por volta de 1839, Sir Willian Grove inventou o que viria a ser a primeira célula
combustível. Ele sabia que ao passar uma corrente elétrica pela água, esta se separava em
oxigênio e hidrogênio, processo esse, conhecido por eletrólise. Ele pensou que ao reverter
esse processo, reagir oxigênio com o hidrogênio, poderia assim, produzir água e
eletricidade. Ele produziu uma célula combustível primitiva chamada bateria de gás voltaica.
Cinqüenta anos após os cientistas Ludwig Mond e Charles Langer introduziu o nome célula
combustível quando tentavam criar um modelo prático de produção de energia (Nice, 2007).
Dentre as diferentes rotas para a geração de energia de forma sustentável,
destacam-se as células combustíveis, que são capazes de converter a energia química de
certos combustíveis em energia elétrica.
2. A célula combustível
A célula combustível é um conversor de energia eletroquímico que produz
eletricidade, água e calor utilizando combustíveis e o oxigênio presente no ar. Se o
combustível utilizado for apenas hidrogênio, o resultado final de toda a produção de energia
será a liberação de vapor de água, eliminando assim a emissão de gases poluentes para a
atmosfera.
A célula combustível funciona como uma bateria, transformando energia química em
energia elétrica através de uma reação eletroquímica envolvendo o hidrogênio e o oxigênio.
Porém, diferente da bateria que precisa ser recarregada eletricamente, a célula combustível
precisa ser reabastecida com o combustível, e possui um longo tempo de vida útil.
A célula combustível consiste em um eletrólito no meio de dois eletrodos (anodo e
catodo). O hidrogênio passa pelo lado do anodo, enquanto o oxigênio entra pelo lado do
catodo. Através de uma reação catalisada os elétrons da molécula hidrogênio se separam
do átomo e são transportados por um circuito elétrico fora da célula combustível, gerando
assim a corrente elétrica, e são encaminhados em seguida para o catodo (Figura 1).
Enquanto isso os íons de hidrogênio passam pelo eletrólito e são conduzidos até o catodo.
Ao chegar ao catodo esses íons de hidrogênio se combinam com o oxigênio presente no
catodo mais os elétrons provenientes do circuito elétrico, gerando assim a formação da
molécula da água.
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Figura 1 – Princípio do funcionamento de uma célula combustível.
O sistema da célula combustível também pode incluir um reformulador, o qual retira o
hidrogênio presente em qualquer combustível – como etanol, gás natural ou até mesmo da
gasolina, e mesmo utilizando uma dessas substâncias realiza a combustão, sendo
considerada assim espécie de tecnologia que produz “energia limpa”.
2.1 Os tipos de células combustíveis
As células são classificadas de acordo com o tipo de eletrólito utilizadas por elas.
Esse eletrólito determinará o tipo de reação química que acontecerá na célula, o tipo de
combustível utilizado e especialmente a temperatura de funcionamento da célula
combustível. Essas características serão as responsáveis pelas diversas aplicações dessa
tecnologia.
Diversos tipos de células combustíveis estão ainda em desenvolvimento, cada uma
possuindo vantagens, desvantagens, limitações e diferentes aplicações.
Elas se dividem em cinco famílias: Alcalina (Alkaline Fuel Cell - AFC); Eletrólito
Polimérico (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell - PEMFC); Ácido Fosfórico (Phosphoric
Acid Fuel Cell - PAFC); Carbonato Fundido (Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC); Óxido
Sólido (Solid Oxide Fuel Cell - SOFC). As três primeiras espécies operam em baixas
temperaturas (50-210°C), enquanto as outras duas operam em temperaturas elevadas (630-
1000°C).
2.1.1 Polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC)
O Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) tem a PEMFC (Figura 2)
como a mais forte candidata para aplicações nos transportes (Nice, 2007). Isso porque a
PEMFC possui um bom rendimento e uma baixa temperatura de operação (por volta de 60 a
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80 graus Celsius) além de serem mais leves e menores que as outras células combustíveis.
Essa baixa temperatura de operação significa um menor tempo para que a célula
combustível se aqueça e comece a gerar energia mais cedo. Outra vantagem dessa baixa
temperatura de funcionamento é o fato da célula a combustível poder ser ligada e desligada
sem muito prejuízo para seu funcionamento, além disso, possui uma alta eficiência e com
baixa emissão de poluentes.
Faz parte também das PEMFC a célula combustível de metanol direto (Direct
Methanol Fuel Cell - DMFC). Seu funcionamento é parecido com os da PEMFC, porém, é
alimentada apenas por metanol. Apesar de ter um grande potencial energético, o metanol é
altamente tóxico para a saúde, o que acaba atrapalhando a utilização dessa tecnologia em
automóveis.
Figura 2 – Esquema de funcionamento de uma PEMFC.
2.1.2 Solid oxide fuel cell (SOFC)
Essa célula combustível é a melhor escolha para uma grande geração de energia
nas “usinas”, que podem gerar eletricidade para fábricas e para cidades.
Elas operam sob altas temperaturas (por volta de 700 e 1000 graus Celsius). A
SOFC se mostra bastante estável quando seu uso é contínuo, um exemplo disso, é um
sistema criado pela Siemens-Westinghouse que conseguiu produzir 100Kw por mais de
20.000 horas sem uma degradação considerável em seu desempenho (Haile, 2003). A
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SOFC é o tipo de célula combustível que possui o maior tempo de durabilidade quando
utilizada nas melhores condições de uso.
Sua alta temperatura de funcionamento pode também se tornar uma vantagem, visto
que, o calor gerado pela célula combustível, pode ser direcionado para turbinas e estas
podem gerar mais eletricidade, esse processo é denominado co-geração de energia por
calor (co-generation of heat and power) (Nice, 2007) e esse processo acaba aumentando a
eficiência do sistema.
Por outro lado essa alta temperatura pode se tornar um problema, visto que, algumas
células combustíveis podem parar de funcionar após ligar e desligar essas máquinas
repetidamente, e esse ainda é um dos desafios a serem superados por esse tipo de célula
combustível.
Figura 3 – Esquema de funcionamento de uma SOFC.
2.1.3 Alkaline fuel cell (AFC)
Esse é o mais antigo modelo de célula combustível. Os Estados Unidos utiliza esse
tipo de célula combustível em seu programa espacial desde os anos 60 (Nice, 2007).
A AFC (Figura 4) utiliza uma solução de hidróxido de potássio em água como
eletrólito e podem utilizar uma grande variedade de metais não preciosos como
catalisadores no anodo e no catodo. Elas possuem uma grande eficiência e também um
bom desempenho de funcionamento.
O principal problema da AFC, é que ela está muito suscetível à contaminação por
CO ou CO2, com isso, requer a utilização de oxigênio e hidrogênio puros, tornando o
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material muito caro e assim fazendo com que esse tipo de célula combustível fique pouco
vantajoso para sua comercialização.
Figura 4 – Esquema de funcionamento de uma AFC
2.1.4 Molten-carbonate fuel cell (MCFC)
Assim como a SOFC, esse tipo de célula combustível pode ser utilizada para uma
grande geração de energia nas usinas. Elas operam a uma temperatura por volta de 600
graus Celsius e assim como a SOFC, o calor gerado por elas podem ser reaproveitados
para geração de mais energia. Elas possuem uma temperatura de funcionamento abaixo da
temperatura das SOFC e com isso seu material de fabricação não precisa ser o mesmo da
SOFC, deixando o custo de sua fabricação mais baixo. As MCFC não são contaminadas por
combustíveis que possuem carbono em sua estrutura, podendo até mesmo utilizar
monóxido de carbono como combustível.
Ao contrário das AFC, PEMFC e PAFC, esse tipo de célula combustível não precisa
de um reformulador para reaproveitar parte do que foi dissipado e assim, gerar mais
combustível (Figura 5).
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Figura 5 – Esquema de funcionamento de uma MCFC
2.1.5 Phosphoric-acid fuel cell (PAFC)
As PAFC (Figura 6) têm potencial para ser utilizado em pequenos sistemas
geradores de energia. Opera em uma temperatura maior que as PEMFC o que causa um
maior tempo para se aquecerem, e assim sendo, torna-se pouco útil para utilização em
automóveis.
Foram testadas no início dos anos 70 e passaram a ser consideradas a primeira
geração de células combustíveis modernas.
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Figura 6 – Esquema de funcionamento de uma PAFC.
2.2 O funcionamento da PEMFC
Nesse trabalho iremos focar o funcionamento das PEMFC, pois se trata da célula
combustível com maior probabilidade de ser utilizadas nos automóveis em um futuro
próximo.
A PEMFC utiliza umas das reações mais simples entre as células combustíveis.
A célula combustível (PEMFC) se divide em quatro importantes partes, anodo,
catodo, eletrólito e catalisador.
O anodo é a parte negativa da célula combustível e possui um importante papel. Ela
conduz os elétrons que são retirados das moléculas de Hidrogênio e as conduzem por um
circuito externo. O íon de Hidrogênio formado é distribuído igualmente para a superfície do
catalisador por meio de canais presentes no anodo.
O catodo é a parte positiva da célula combustível, ele possui canais que distribuem
igualmente o oxigênio pela superfície do catalisador onde recebe as partículas de hidrogênio
provenientes do anodo e formando assim uma molécula de água.
O eletrólito é o que chamamos de “membrana de troca de prótons (PEM)”. Ele é
formado por um material especial, e impede a passagem de elétrons por ele, permitindo
apenas a passagem de íons positivos. Essa membrana precisa estar sempre hidratada para
que tenha um funcionamento melhor e mais estável.
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O catalisador é formado por um material especial para facilitar a reação entre o
oxigênio e o hidrogênio. Normalmente é formada por nanopartículas de platina. O
catalisador deve ser rugoso e poroso para que a platina tenha uma maior superfície de
contato entre o oxigênio e o hidrogênio.
O funcionamento da PEMFC se dá do seguinte modo (Figura 2):
Primeiramente o gás de hidrogênio (H2) entra pressurizado no lado do anodo. Esse
gás é forçado contra o catalisador devido à pressão que lhe é imposta. Quando a molécula
de H2 entra em contato com a platina, essa molécula se rompe, formando dois íons de H+ e
liberando dois elétrons. Esses dois elétrons são conduzidos pelo anodo a um circuito
externo, gerando eletricidade, e chegam ao catodo.
Enquanto isso, do outro lado da célula combustível, no catodo, o gás de oxigênio
(O2) é forçado contra o catalisador, formando assim duas moléculas de oxigênio. Cada
molécula dessas possui uma grande carga negativa. Essa carga negativa atrai os íons de H+
através da membrana (eletrólito), ao se encontrarem, as moléculas de oxigênio mais os íons
de hidrogênio e os elétrons provenientes do circuito externo, ocorrem a formação de uma
molécula de água (H2O).
Essa reação em uma única célula combustível produz apenas cerca de 0,7 Volts.
Para aumentar essa voltagem é preciso combinar várias células combustíveis em uma
espécie de pacote de células combustíveis, elas ficam dispostas em série em um circuito
elétrico e podem gerar por volta de 200 a 300 Volts, um pacote com 200 células
combustíveis pode gerar 94 kW de energia contínua e alcançar picos de 129kW (Harris,
2007). Placas bipolares são utilizadas para conectar uma célula combustível a outra onde
ficam sob as mesmas condições de oxidação e redução. O problema de utilizar essas
placas bipolares é sua estabilidade, com o tempo, essas placas podem sofrer com a
corrosão, e os produtos criados por essa corrosão podem diminuir a eficiência das células
combustíveis.
2.3 Eficiência das células combustíveis
Comparando carros movidos a células combustíveis, gasolina e um carro elétrico
movido a bateria, podemos ver como as células combustíveis podem aumentar a eficiência
dos carros hoje em dia.
Nesse caso iremos focar apenas o trabalho mecânico gerado por esses
combustíveis, ignorando a eficiência gerada por diferentes tipos de transmissão, pneus e
outros componentes dos carros. Vale ressaltar que apesar desses valores de eficiência ser
aproximações, servem para termos uma boa base da diferença entre a eficiência de cada
combustível.
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Se a célula combustível for alimentada por uma fonte pura de hidrogênio, tem-se um
potencial que gira em torno de 80% de eficiência, ou seja, 80% da energia gerada pelo
hidrogênio, é transformada em energia elétrica, entretanto, essa energia elétrica ainda
precisa ser transformada em energia mecânica. A esse mecanismo é acoplado um sistema
de motor elétrico e um alternador. A eficiência desse sistema motor/alternador é em torno de
80%. Logo, temos 80% de eficiência para gerar energia elétrica e mais outros 80% para
transformá-la em energia mecânica, nos dando uma eficiência média ao fim desse processo
por volta de 64% (Nice,2007).
Caso a fonte da célula combustível não seja uma fonte de hidrogênio puro, então o
carro precisará de um “reformulador”. Esse reformulador transformará hidrocarbonetos ou
álcoois em hidrogênio. Esse processo produz calor e outros gases além do hidrogênio.
Esses reformuladores utilizam vários métodos para purificar o hidrogênio, mas mesmo
assim, o hidrogênio resultante não sai totalmente puro (Joensen, 2002), o que acaba
diminuindo a eficiência da célula combustível.
Os carros que possuem um motor movido à gasolina possuem uma eficiência muito
menor em relação aos três tipos de motores analisados. A grande parte do calor gerado pela
combustão interna no motor é perdida. O motor utiliza grande parte da energia para
movimentar seus pistões e para realizar seus ciclos. Com isso sua eficiência fica em torno
dos 20%. Ou seja, apenas 20% da energia gerada pela combustão da gasolina são
transformadas em energia mecânica (Nice, 2007).
Já o carro elétrico movido à bateria possui a maior eficiência. A eficiência da bateria
é em torno de 90% (isso porque algumas baterias geram calor ou precisam ser aquecidas
para funcionar), e o sistema motor/alternado possui uma eficiência de 80%, o resultado final
obtido é de uma eficiência média em torno de 72%. Porém, se analisarmos todo o ciclo
envolvido no funcionamento desse carro elétrico, veremos que essa eficiência diminui
consideravelmente. A eletricidade utilizada pelo carro precisa ser gerada em algum lugar, se
essa eletricidade vier de uma usina (seja ela nuclear, hidroelétrica, solar...) apenas 40% do
combustível utilizada por ela é transformada em eletricidade. Para recarregar a bateria do
carro, é preciso que este transforme a corrente alternada provinda da usina em corrente
contínua, e esse processo tem uma eficiência por volta de 90%. Assim, se observarmos
todo o ciclo, teremos 72% de eficiência do carro, 40% da geração de eletricidade pela usina
e mais 90% de eficiência para recarregar a bateria, o que nos dá uma eficiência média total
por volta de 26%. Esse valor pode variar ate 65% dependendo do combustível utilizado pela
usina geradora de energia (Nice, 2007).
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2.4 Os problemas das células combustíveis.
Alto custo de produção, durabilidade, hidratação da membrana e armazenamento
são alguns dos problemas ainda encontrados para uma fabricação em grande escala das
células combustíveis. Ainda é um desafio para os cientistas contornarem tais problemas,
mesmo com altos investimentos por parte dos países mais desenvolvidos, essa tecnologia
se mostra um pouco problemática para a fabricação em larga escala.
2.4.1 Alto custo para produção
Um dos principais problemas associados à produção das células combustíveis é o
alto custo para a fabricação da mesma. Grande parte dos materiais utilizados para sua
fabricação possui um preço bastante elevado. No caso do sistema da PEMFC, temos a
membrana de troca de prótons, o metal utilizado para a fabricação do catalisador
(normalmente utiliza-se platina), as camadas de difusão do gás, e as placas bipolares
representam 70% do valor total da célula combustível. Para se tornar um preço acessível e
a ponto de concorrer com a gasolina, por exemplo, o valor da energia fabricada pela célula
combustível deveria ser em torno de U$35,00 por Kilowatt produzido. Atualmente essa
relação de preço e produção de energia que se tem obtido é em torno de U$110,00. Para
diminuir esse valor, pesquisas recentes procuram desenvolver um método de diminuir a
quantidade de platina utilizada pelo catalisador ou procurar alternativas para a fabricação da
célula combustível (Nice, 2007).
2.4.2 Durabilidade
É preciso desenvolver membranas utilizadas nas PEMFC mais duráveis e que
possam operar em temperaturas por volta de 100 graus Celsius e também funcionar em
ambientes onde a temperatura atinge valores abaixo de zero grau Celsius. Com a
temperatura em torno dos 100 graus Celsius a célula combustível atinge seu maior ponto de
tolerância para as impurezas do combustível. Como no caso de um carro, a célula
combustível esta sujeita a ficar sendo ligada e desligada com certa freqüência, é preciso que
a membrana das PEMFC permaneça estável, no caso das membranas atuais, há um
desgaste muito grande da mesma quando se fica ligando e desligando a célula combustível,
principalmente em temperaturas baixas (Nice, 2007).
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2.4.3 Hidratação
A membrana da PEMFC precisa estar sempre hidratada, de modo que possa assim,
transferir os prótons de hidrogênio para o catodo. Os cientistas ainda buscam desenvolver
um sistema de células combustíveis que possa ter um bom rendimento quando submetidas
a temperaturas abaixo de zero grau Celsius, quando submetidas a ambientes de baixa
umidade e altas temperaturas. Sabe-se que por volta de 80 graus Celsius essa membrana
pode perder a hidratação, e assim, acaba prejudicando o funcionamento da célula
combustível (Nice, 2007).
2.4.4 Armazenamento e outras considerações
Um carro movido à gasolina possui uma autonomia de aproximadamente 500
quilômetros. Para se criar um carro movido a células combustíveis que possua uma
autonomia semelhante, é preciso levar em consideração detalhes importantes, como, o tipo
de armazenamento do hidrogênio, o peso e o volume do veículo, o custo para sua
fabricação e principalmente a segurança (Nice, 2007).
Mesmo com o avanço no desenvolvimento das PEMFC, elas continuam pesadas e
muito grandes para serem usadas em um veículo convencional.
Há também outras considerações que devem ser relacionadas com a utilização das
células combustíveis. Novas legislações deverão ser criadas para analisar possíveis
acidentes com veículos movidos a células combustíveis. Os engenheiros também deverão
desenvolver métodos para criar sistemas seguros e confiáveis para a utilização do
hidrogênio (Nice, 2007).
2.5 Benefícios do uso das células combustíveis
Apesar desses problemas, as células combustíveis ainda assim se mostram como a
melhor alternativa para a produção de energia limpa no futuro. Os benefícios trazidos para
meio ambiente e também para a saúde se tornam mais importantes quando notamos que há
uma crescente preocupação com o futuro de nosso planeta.
2.5.1 Para os veículos
Após um século de constante desenvolvimento, os motores de combustão interna
possuem uma eficiência aproximadamente de apenas 16% de toda a energia liberada pelo
combustível para movimentar o veículo. Os motores de combustão interna têm sua
eficiência limitada pelo Ciclo de Carnot. Segundo as teorias termodinâmicas mesmo sob
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condições ideais os motores de combustão interna não convertem toda a energia térmica
em energia mecânica, parte dessa energia térmica é dissipada pelo meio. Em um motor de
combustão interna, o motor recebe calor de uma fonte de alta temperatura (T1), transforma
parte dessa energia térmica em energia mecânica e a outra parte é direcionada para uma
fonte de temperatura mais baixa (T2). Quanto maior a diferença de temperatura entre as
fontes, maior será a eficiência obtida no processo (Nice, 2007).
Eficiência máxima = 1
)21(
T
TT −
Sendo que essas temperaturas são dadas em Kelvin
Já os veículos que utilizam células combustíveis, não são limitados pelo Ciclo de
Carnot, podem obter uma eficiência de 40% a 45% e ainda com possibilidades de aumentar
essa eficiência.
Os veículos que utilizam células combustíveis já provaram ser mais eficientes que os
veículos similares que são movidos por motores de combustão interna. A Toyota mostrou
seus resultados com um veiculo convencional movido à gasolina, onde obteve uma
eficiência de apenas 16%, enquanto seu modelo FCVH-4 movido a hidrogênio obteve uma
eficiência de 48%, um valor três vezes maior que o do veiculo convencional.
Assim que as células combustíveis começarem a ser utilizadas como a gasolina,
haverá uma grande redução na emissão de gases poluentes. No futuro, a combinação entre
alto desempenho das células combustíveis e novas fontes de energia renováveis poderão
chegar bem perto da eliminação de gases poluentes.
Por utilizarem um motor elétrico, os veículos que utilizam células combustíveis terão
seus ruídos e vibrações diminuídas, e alguma das rotinas de manutenção, como troca de
óleo, serão eliminadas.
2.5.2 Para a Saúde
Segundo a Organização Mundial da Saúde um ambiente com o ar limpo é uma das
condições para uma vida saudável (OMS, 2007). Entretanto diversas pessoas em várias
partes do mundo estão expostas em regiões onde o ar não está adequado a nossa saúde.
Essa exposição pode trazer sérios riscos a nossa vida. Por exemplo:
• O material particulado emitido pela queima de combustíveis fósseis pode diminuir
a expectativa de vida dos humanos em até um ano.
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• Os gases poluentes emitidos nesse processo de queima, causam problemas
respiratórios, cardíacos e em casos extremos, pode provocar uma morte
prematura.
As células combustíveis se apresentam como uma alternativa para o controle de
poluição atmosférica, o que certamente irá refletir na saúde.
2.5.3 Para o Meio Ambiente
Por volta de 25% dos gases poluentes emitidos pelo homem provém dos meios de
transporte. Esses gases emitidos pelos veículos (monóxido de carbono, óxidos
nitrogenados, hidrocarbonetos etc) não podem ser facilmente reduzidos utilizando apenas
controles utilizando conversores catalíticos (Nice, 2007).
Tendo em vista esse panorama, as células combustíveis surgem como uma
importante estratégia para o combate a emissão desses gases e para a preservação do
meio ambiente.
A utilização de células combustíveis reduzirá a poluição do ar, a poluição sonora e as
de águas subterrâneas, melhorando assim a qualidade de vida dos seres humanos.
3. Conclusão
Atualmente no cenário mundial o hidrogênio aparece como a grande fonte de energia
renovável e com isso, as células combustíveis aparecem como a melhor opção de
investimento para a utilização desse combustível. Países como os Estados Unidos, Japão e
alguns pertencentes à União Européia, estão investindo pesadamente (Tabela 2) no
desenvolvimento dessa nova tecnologia (CGEE/CT-Energ, 2002).
Tabela 2 – Mercado previsto para células combustíveis estacionárias nos EUA e em todo o mundo. ANO MERCADO
MUNDIAL
MERCADO EUA
2003 US$ 590 milhões US$ 165 milhões
2007 US$ 1800 milhões US$ 1600 milhões
2011 US$ 12000 milhões US$ 7100 milhões
Fonte: Princewaterhouse Coopers, Jun/2002
Os valores mencionados acima não representam o foco central desse trabalho, visto
que o próprio tem um embasamento muito mais ao comportamento físico da célula
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combustível a uma avaliação econômica dessa tecnologia. Porém, servem de base para
percebermos a importância de tal desenvolvimento.
No Brasil o interesse pelo desenvolvimento dessa tecnologia está crescendo. Vem
recebendo atenção principalmente por companhias de energia, por agências financiadoras
de pesquisa como a FINEP e o CNPq , que respondem ao interesse dos
pesquisadores(CGEE/CT-Energ, 2002).
Por ser uma nova tecnologia, as células combustíveis estão em crescente
desenvolvimento, o que leva a um grande número de pesquisadores nessa área com o
objetivo de criarem métodos para uma maior e mais rápida implementação dessa tecnologia
em nosso dia a dia. É possível notar que várias empresas automobilística estão se
movimentando para a criação de um “carro ecológico” que visa preservar o meio ambiente,
é o caso da Honda que já lançou o Honda’s FCX Concept Vehicle , a Toyota e seu modelo
PRIUS que vem sendo aprimorado desde o ano de 1997.
Ainda há muito a ser pesquisado dentro dessa área ligado a energia renovável. O
trabalho mostrou uma dessas alternativas, sem a preocupação de se aprofundar em todos
os tipos de células combustíveis, focando as PEMFC, que se mostram como a melhor
alternativa para o uso em automóveis.
Ainda há muito a ser pesquisado sobre essa área, o que facilita a criação de novos
trabalhos e serve como incentivo para futuras teses de mestrado e doutorado.
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4. Referências
1- BRAUN, S.; APPEL, L. G.; SCHMAL, M.. A poluição gerada por máquinas de combustão interna movidas à diesel – A questão dos particulados. Estratégias atuais para a redução e controle das emissões e tendências futuras. Química Nova,Vol.27, N. 3, pág.472-482, 2003. 2 –The Otto Engine. Disponível em: <http://library.thinkquest.org/C006011/english/sites/ottomotor.php3?v=2> Acesso em 17/10/2007. 3 - Van GERPEN, J.. Fuel Process. Technol., 2005, 1097. 4 –SANTOS, A.M.. Motores de ignição por compressão motores diesel. Disponível em: <http://www.netef.eesc.sc.usp.br/moreira/MOTORES%20DIESEL.pdf> Acesso em 17/10/2007 5 – NEEFT, J. P. A.; PRUISSEN, O. P.; MAKKEE, M.; MOULIJN, J. A.; Appl. Catal. B, 1997, 21. 6 – HILL, M. K.. Em Understanding Environmental Pollution, Ed. Cambridge, Cambridge, 1997. 7- PERERA, F. P.. Science, 1997, 1068. 8- TANNER, R. L. ; FALER, R.. Int. J. Environ. Anal. Chem., 1983, 231. 9 – NEEFT, J. P. A.; MAKKEE, M.; MOULIJN, J. A.. Fuel Process. Technol., 1996, 1. 10- NICE, K.; STRICKLAND, J.. How Fuel Cells Works. Disponível em:
< http://auto.howstuffworks.com/fuel-cell.htm> Acesso em: 14 ago. 2007. 11 - What Is a Fuel Cell?. Disponível em: < http://www.fuelcells.org/basics/how.html > Acesso em: 14 ago. 2007. 12 - Fuel Cells Using Renewable Energy Sources – A Leap To Hydrogen Economy. Disponível em:
<www.esv.or.at/esv/fileadmin/opet_res_e/TechPaper3_fuelcells-fin.pdf> Acesso em: 30 out. 2007.
13 – HAILE, S.M..Materials for fuel cells. Materialstoday, mar. 2003
14 – JOENSEN,F.; ROSTRUP-NIELSEN,J.R.. Conversion of hydrocarbons and alcohols for fuel cells.
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15 – ORGANIZAÇÃO MUNDIAL DA SAÚDE. Air quality and health. Disponível em :
< http://www.euro.who.int/eprise/main/WHO/Progs/AIQ/Home/> Acesso em: 18 out. 2007.
16 - CENTRO DE GESTÃO E ESTUDOS ESTRATÉGICOS. Proposta CGEE/CT-Energ para o
Programa Brasileiro de Células à Combustível. Jul. 2002.
17- HARRIS, TOM; Como funciona o Hy-wire da GM. Disponível em: <http://carros.hsw.uol.com.br/hy-
wire-da-gm2.htm> Acesso em: 7 dez. 2007.