TIPOS DE CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL

Ácido Fosfórico
Membrana de Troca Protônica ou Polímero Sólido
Carbonatos Fundidos
Óxido Sólido
Alcalina
Células de Combustível de Metanol Direto
Células de Combustível Regenerativas
Células de Combustível de Zinco Ar
Células de Combustível de Cerâmica Protônica

Célula de Combustível de Ácido Fosfórico (PAFC). Este tipo de célula de combustível já está disponível hoje, comercialmente. Mais de 200 sistemas de células de combustível têm sido instalados ao redor do mundo - em hospitais, casas de repouso, hotéis, edifícios de escritórios, escolas, plantas de geração de energia, um terminal de aeroporto, aterros sanitários e plantas de tratamento de água. As PAFCs geram eletricidade com mais de 40% de eficiência – e cerca de 85% do vapor que estas geram é usado para co-geração – isto se compara com aproximadamente 35% da rede de energia dos Estados Unidos. A temperatura de operação se encontra na faixa de 300 à 400 graus F (150 - 200 graus C). Em temperaturas menores, o ácido fosfórico é um conductor iônico pobre, e pode ocorrer um envenenamento severo no ânodo do catalizador de platina (Pt) por monóxido de carbono (CO). O eletrólito é o ácido fosfórico líquido embebido em uma matriz porosa. Uma das principais vantagens deste tipo de célula de combustível, além do seu aproximado 85% de eficiência em co-geração, é que pode utilizar hidrogênio pouco puro como combustível. As PAFCs podem suportar concentrações de CO de até 1,5%, o qual aumenta a eleição de combustíveis que podem ser usados. Se utilizamos gasolina, o enxofre deve ser removido. As desvantagens das PAFCs incluem: utiliza platina, que é cara, como catalizador; gera baixa corrente e potência, comparada com outras células de combustível; e geralmente tem tamanho e peso grandes. As PAFCs, entretanto, são a tecnologia de célula de combustível mais madura. Através de ligas entre organizações como o Instituto de Investigações do Gás (Gas Research Institute - GRI), plantas geradoras, companhias de serviço de energia e grupos de usuários, o Departamento de Energia (DOE) ajudou a tornar realidade a comercialização das células PAFC, produzidas por ONSI (agora UTC Fuel Cells). As PAFCs existentes, que tem saídas de até 200 kW e unidades de 1 MW, já foram provadas.

Ânodo: H₂(g) -> 2H+(ac)+ 2e-

Cátodo: ½O₂(g) + 2H+(ac) + 2e- -> H₂O(l)

Célula: H₂(g) + ½O₂(g)+ CO₂ -> H₂O(l) + CO₂

Membrana de Troca Protônica (PEM). Estas células operam a temperaturas relativamente baixas (cerca de 175 graus F ou 80 graus C), tem alta densidade de potência, podem variar rapidamente sua saída de potência, para atender mudanças na demanda de potência e são muito adequadas para aplicações, -- como os automóveis – onde um arranque rápido é exigido. De acordo com o DOE, estas células "são o candidato número um para veículos leves, para edifícios e potencialmente para muitas aplicações pequenas, tal como substituição de baterias." A membrana de troca protônica é uma folha de plástico delgada que permite que íons de hidrogênio passem através dela. A membrana está coberta em ambos os lados com partículas de liga altamente dispersas (principalmente a platina), que funcionam como catalisadoras. O eletrólito utilizado é um polímero ácido orgânico poli-perflourosulfônico. O eletrólito sólido tem a vantagem de reduzir a corrosão e outros problemas de funcionamento. O hidrogênio é alimentado no lado do ânodo da célula de combustível, onde o catalisador promove que os átomos de hidrogênio liberem elétrons e se convertam em íons hidrogênio (prótons). Os elétrons viajam em forma de corrente elétrica, que pode ser utilizada antes de regressar pelo lado do cátodo da célula de combustível, onde se há alimentado de oxigênio. Ao mesmo tempo, os prótons se difundem através da membrana (eletrólito) até o cátodo, onde o átomo de hidrogênio é recombinado, ao reagir com o oxigênio para produzir água, completando assim o processo. Este tipo de célula de combustível é, entretanto, sensível às impurezas presentes no combustível. A saída da célula geralmente está na faixa de 50 a 250 kW.

Ânodo: H₂(g) -> 2H+(ac) + 2e-

Cátodo: ½O₂(g) + 2H+(ac) + 2e- -> H₂O(l)

Célula: H₂(g) + ½O₂(g) -> H₂O(l)

Carbonatos Fundidos (MCFC). Estas células de combustível usam uma solução líquida de carbonatos de lítio, sódio e/ou de potássio, embebidos em uma matriz para formar um eletrólito. Estas células prometem altas eficiências de conversão de combustível à eletricidade, cerca de 60% normalmente ou 85% com co-geração, e operam a uns 1.200 graus F ou 650 graus C. A alta temperatura de operação é necessária para alcançar uma suficiente condutividade do eletrólito. Devido a esta alta temperatura, os catalisadores de metais nobres não são exigidos para os processos eletroquímicos de redução e oxidação, na célula de combustível. Até agora, as células MCFCs tem sido operadas com hidrogênio, monóxido de carbono, gás natural, propano, gás de aterro sanitário, diesel marinho e produtos simulados da gaseificação do carvão. Tem sido provados MCFCs de 10 kW até 2 MW usando uma variedade de combustíveis e estão dirigidas principalmente a aplicações de geração de potência estacionária. As células de combustível de carbonatos estacionários têm sido demonstradas com êxito no Japão e Itália. As altas temperaturas de operação possuem uma grande vantagem, já que isso implica maiores eficiências e flexibilidade para usar mais tipos de combustíveis e catalisadores mais baratos, já que as reações para romper os enlaces entre o carbono de hidrocarbonetos de cadeias mais largas ocorrem mais rápido, a medida que a temperatura aumenta. Uma desvantagem disso é, entretanto, que as altas temperaturas aumentam a corrosão e a falha de componentes da célula de combustível.

Ânodo: H₂(g) + CO₃^2- -> H2O(g) + CO₂(g) + 2e-

Cátodo: ½O₂(g) + CO₂(g) + 2e- -> CO₃^2-

Célula: H₂(g) + ½O₂(g) + CO₂(g) -> H₂O(g) + CO₂(g)

Célula de Combustível de Óxido Sólido (SOFC). É outra célula de combustível altamente promissora, que poderia ser utilizada em grandes aplicações de alta potência, industrial e estações centrais de geração de eletricidade a grande escala. Alguns fabricantes vêem o uso das células SOFC também em veículos automotores e estão desenvolvendo unidades de potência auxiliares com este tipo de célula de combustível (APUs). Um sistema de óxido sólido geralmente utiliza um material cerâmico de óxido de zircônio sólido e uma pequena quantidade de ítrio, em lugar de um eletrólito líquido, permitindo que as temperaturas de operação alcancem os 1.800 graus F ou 1000 graus C. As eficiências de operação poderiam alcançar os 60% e 85% com co-geração e a saída da célula até 100 kW. Um tipo de SOFC usa um arranjo de tubos de metros de comprimento, e outras variações, incluindo um disco comprimido que parece a tampa de uma lata de sopa. Os desenhos tubulares de células SOFC estão mais próximos a sua comercialização e estão sendo produzidos por várias companhias ao redor do mundo. Os projetos demonstrativos da tecnologia tubular do SOFC têm sido produzidos tanto como 220 kW. O Japão tem duas unidades de 25 kW em linha e uma planta de 100 kW está sendo provada na Europa.

Ânodo: H₂(g) + O₂- -> H₂O(g) + 2e-

Cátodo: ½O₂(g) + 2e- -> O^2-

Célula: H₂(g) + ½O₂(g) -> H₂O(g)

Célula Alcalina. Estas células, já usadas durante muito tempo pelas missões espaciais da NASA, podem alcançar eficiências de geração de potência de até 70%. Foram usadas nas naves Apolo para fornecer eletricidade e água para beber. Sua temperatura de operação é de 150 a 200 graus C (uns 300 a 400 graus F). Utilizam uma solução aquosa alcalina de hidróxido de potássio embebida em uma matriz como eletrólito. Isto é vantajoso, pois a reação do cátodo é mais rápida em um eletrólito alcalino, o que significa maior desempenho. Até pouco tempo atrás, eram muito caras para aplicações comerciais, mas muitas companhias estão examinando meios para reduzir custos e melhorar a flexibilidade em sua operação. Tipicamente tem uma saída de célula de 300 watts a 5 kW.

Ânodo: H₂(g) + 2(OH)-(ac) -> 2H₂O(l) + 2e-

Cátodo: ½O₂(g) + H₂O(l) + 2e- -> 2(OH)^-(ac)

Célula: H₂(g) + ½O₂(g) -> H₂O(l)

Células de Combustível de Metanol Direto (DMFC). Estas células são similares as células PEM já que ambas usam una membrana de polímero como eletrólito. Entretanto, nas células DMFC o catalisador do ânodo mesmo, obtém o hidrogênio do metanol líquido, eliminando a necessidade de um reformador de combustível. A eficiência se espera que seja de aproximadamente 40% com este tipo de células de combustível, as quais tipicamente operam a uma temperatura de entre 120-190 graus F ou 50 -100 graus C. Esta é uma faixa de temperaturas relativamente baixa, fazendo atrativa a este tipo de célula, para aplicações desde muito pequenas até tamanhos médios, por exemplo, energizar telefones celulares e laptops. Maiores eficiências podem ser obtidas com maiores temperaturas. Entretanto, um problema sério, é o permeado do combustível desde o ânodo até o cátodo, sem gerar eletricidade. Não obstante, muitas companhias têm dito que já resolveram este problema. Estas se encontram trabalhando com protótipos de DMFC, utilizados para energizar equipamento militar eletrônico, em campo.

Ânodo: CH₃OH(ac) + H₂O(l) -> CO₂(g) + 6H⁺(ac) + 6e-

Cátodo: 6H⁺(ac) + 6e- + 3/2O₂(g) -> 3H₂O(l)

Célula: CH₃OH(ac) + 3/2O₂(g) -> CO₂(g) + 2H₂O(l)

Células de Combustível Regenerativas. Ainda um membro muito jovem da família de células de combustível, as células regenerativas seriam muito atrativas como um tipo de geração de potência de ciclo fechado. A água é separada em hidrogênio e oxigênio mediante um eletrolisador solar. O hidrogênio e o oxigênio alimentados na célula de combustível geram eletricidade, calor e água. A água é então re-circulada de regresso até o eletrolisador, alimentado com energia solar, e o processo começa novamente. Estes tipos de célula de combustível estão sendo pesquisados pela NASA e outros, a nível mundial.

Células de Combustível de Zinco-Ar (ZAFC). Em uma célula de combustível zinco-ar típica, existe um eletrodo de difusão de gás (GDE), um ânodo de zinco separado por um eletrólito e separadores de um tipo de forma mecânica. O eletrodo GDE é uma membrana permeável que permite o passo do oxigênio atmosférico. Depois que o oxigênio tenha sido convertido a íons hidroxila e água, os íons hidroxila viajam através da membrana e alcançam o ânodo de zinco. Aqui, o íon reage com o zinco formando óxido de zinco. Este processo gera um potencial elétrico. Quando um grupo de células ZAFC são conectadas, o potencial elétrico combinado das mesmas, pode ser usado como fonte de poder elétrico. Este processo eletroquímico é muito similar ao de uma célula tipo PEM, mas o reabastecimento de combustível é muito diferente e comparte certas características com as baterias. A Metallic Power está trabalhando com células ZAFCs que contém um "tanque de combustível" com zinco e um refrigerador de zinco automático e silenciosamente regenera o combustível. Neste sistema de ciclo fechado gera-se eletricidade, o zinco e o oxigênio são misturados em presença de um eletrólito (como uma PEMFC), gerando óxido de zinco. Uma vez que o combustível se tenha acabado, o sistema é conectado a rede e o processo é revertido, deixando uma vez mais pelets de combustível de zinco puro. A chave está em que o processo de reversão somente toma uns 5 minutos para completar-se, assim o tempo de recarga de baterias não é um problema neste sistema. A vantagem maior que a tecnologia de zinco-ar tem, sobre as outras baterias, é a sua energia específica, a qual é um fator chave, que determina o tempo de duração de uma bateria com respeito ao seu peso. Quando as células ZAFCs são usadas para energizar veículos elétricos (EVs), hão provado grandes distâncias de direção entre cada reabastecimento de combustível, maiores que baterias para EV, de peso parecido. Mais ainda, devido à abundância de zinco sobre a terra, os custos de material para as células ZAFCs e as baterias zinco-ar são baixos. Daqui adiante a tecnologia zinco-ar terá um potencial amplo de aplicações, desde EVs, equipamento eletrônico até militar. A Powerzinc, no sul de Califórnia, atualmente comercializa sua tecnologia zinco-ar para um grande número de diferentes aplicações.

Células de Combustível de Cerâmica Protônica (PCFC). Este novo tipo de célula de combustível está baseado em um material de eletrólito de cerâmica protônica, que apresenta uma alta condutividade protônica a elevadas temperaturas. As células PCFCs compartem as vantagens térmicas e cinéticas da operação à alta temperatura, de 700 graus Celsius, com as células de carbonatos fundidos e de óxido sólido, ao mesmo tempo em que mostram os benefícios intrínsecos da condução protônica em eletrólitos de células poliméricas e de ácido fosfórico (PAFCs). A alta temperatura de operação é necessária para alcançar a alta eficiência elétrica do combustível, com combustíveis à base de hidrocarbonetos. As células PCFCs podem operar em altas temperaturas e oxidam eletroquimicamente combustíveis fósseis, diretamente no ânodo. Isto elimina o passo intermediário da produção de hidrogênio através de caros processos reformadores. As moléculas gasosas do combustível de hidrocarboneto são absorvidas sobre a superfície do ânodo em presença de vapor de água e átomos de hidrogênio, e os átomos de hidrogênio são eficientemente arrancados para serem absorvidos até o eletrólito, produzindo o dióxido de carbono, como produto principal da reação. Adicionalmente, as células PCFCs têm um eletrólito sólido que não se “seca” como nas células PEM, nem pode escapar-se o líquido, como com as células PAFCs. A Protonetics International Inc. é quem, principalmente, se encontra pesquisando este tipo de célula de combustível.