Funcionamento e manutenção de uma célula de combustível

O princípio da célula de combustível foi desenvolvido em 1838 pelo físico germano-suíço Christian Friedrich Schönbein. Ele envolveu dois fios de platina em ácido sulfúrico (eletrólito), com hidrogénio e oxigénio, e conseguiu detetar uma tensão elétrica entre os fios. O físico britânico Sir William Grove também fazia parte da mesma investigação. Já nessa altura, muitos cientistas afirmavam que a água poderia ser o carvão do futuro. Mas é claro que, mesmo nessa altura, era necessária eletricidade para produzir hidrogénio. Hoje em dia, o conceito assenta no hidrogénio verde que é produzido a partir de eletricidade proveniente de energias renováveis.

Uma célula de combustível é um conversor de energia. A energia da reação química do hidrogénio e do oxigénio é convertida em energia elétrica e térmica. A oxidação do hidrogénio e a redução do oxigénio ocorrem através da separação espacial com a ajuda de um eletrólito. A reação intensa do conhecido "teste de mistura gasosa de oxigénio e hidrogénio", ou seja, a energia libertada quando o hidrogénio e o oxigénio reagem para formar água, pode ser utilizada.
Existem vários tipos de células de combustível que utilizam, por exemplo, gás natural ou metanol como combustível, bem como outros eletrólitos ou agentes oxidantes. No entanto, o tipo mais comum para a utilização em automóveis/camiões é a célula de combustível de hidrogénio/oxigénio, por exemplo, a célula de combustível PEM de baixa temperatura (célula de combustível de membrana de troca de protões, Proton-Exchance-Membrane-Fuel-Cell, PEMFC).

A peça central da célula de combustível PEM é a pilha ou “stack”. As pilhas contêm um grande número de membranas de permuta de protões dispostas em série, que permitem a passagem de protões, mas impedem o transporte de hidrogénio e oxigénio. A membrana individual (eletrólito sólido) é constituída por uma película central à qual são aplicados alternadamente os elétrodos (ânodo (-) / cátodo (+)), incluindo um catalisador. A PEM é envolvida por uma camada de difusão aberta ao gás.

À volta das unidades de membranas de elétrodos na pilha estão dispostas placas bipolares. A expressão "bipolar" refere-se, portanto, à placa anódica portadora de hidrogénio e a uma placa catódica portadora de oxigénio. As placas bipolares são utilizadas para a distribuição homogénea do hidrogénio e do oxigénio, para a vedação ao exterior, para a refrigeração da célula de combustível e para a ligação elétrica das células. Estas caracterizam-se por canais complexos e são, geralmente, em grafite, metal ou materiais compósitos.

No centro da célula de combustível PEM encontra-se a membrana em forma de placa retangular, envolvida pelas placas bipolares. O ânodo é alimentado com hidrogénio e o cátodo com oxigénio. Ambos os elétrodos estão interligados. O catalisador em metais preciosos é responsável pela fussão das moléculas de gás. As moléculas de hidrogénio (H2) são divididas em dois protões. Cada átomo de hidrogénio cede o seu eletrão. Agora, os protões viajam através da membrana semipermeável para o cátodo oposto, carregado positivamente, enquanto os eletrões fazem os desvios através da linha de ligação entre o ânodo e o cátodo. Assim que os protões e os eletrões do hidrogénio alcançam o cátodo, o oxigénio que aí se encontra reage e produz água. Um dos subprodutos desta reação química, além do calor, é a energia elétrica. Nas placas terminais ou na junção do ânodo e do cátodo é possível captar essa tensão elétrica.

Por exemplo, filtros de ar especiais protegem contra a infiltração de micropartículas. Para absorver gases nocivos do ar, o filtro é adicionalmente equipado com camadas de carvão ativado ou outros elementos de adsorção. Estes adsorvem gases nocivos e protegem a célula de combustível. Os requisitos para a filtragem do ar são significativamente mais elevados para a célula de combustível do que para os motores de combustão.

Se o ar estiver demasiado seco provoca a desidratação da membrana na pilha das células de combustível. Isto pode reduzir a resistência mecânica da membrana, que é responsável pelo transporte de protões. Através da utilização de um humidificador, o produto de reação “Água” do ar de exaustão (do lado húmido) pode ser transferido para o ar de admissão (lado seco) da célula de combustível.

No entanto, se a humidade no ar for demasiado elevada, esta pode condensar e formar gotículas de água. Estas podem bloquear as estruturas finas da camada de difusão de gás ou da camada microporosa. As gotículas de água que colidem no lado da turbina do compressor elétrico também têm um efeito negativo na vida útil da célula de combustível. Por este motivo, são utilizados separadores de água adicionais.

O tema da acústica é particularmente interessante no campo da célula de combustível, uma vez que esta não recorre a componentes mecânicos como é o caso, por exemplo, num motor de combustão. De facto, podem ser produzidos ruídos perturbadores no compressor elétrico ou ruídos de fluxo nas tubagens. Ressoadores apropriados atenuam os ruídos indesejados.

Teoricamente, a pilha de células de combustível não necessita de manutenção e foi concebida para um elevado número de horas de funcionamento. No entanto, os elementos filtrantes têm de ser substituídos em intervalos regulares. O granulado no permutador de iões, que assegura a condutividade correta do líquido de refrigeração, é igualmente específico do sistema. Este também tem de ser substituído em intervalos predefinidos. O mesmo se aplica ao filtro de ar catódico. Este também tem de ser substituído regularmente. Outro sistema fundamental é o circuito de refrigeração. Este também inclui uma série de componentes que requerem manutenção: o filtro permutador de iões e o filtro de partículas do líquido de refrigeração. Isto significa que as oficinas de automóveis e de camiões continuariam a ter um elevado volume de trabalho no que se refere à manutenção de veículos com célula de combustível.

Os veículos equipados com células de combustível, especialmente camiões, pontuam claramente com longas autonomias e tempos de reabastecimento curtos. Estes podem ser reabastecidos em apenas alguns minutos. Se considerarmos ainda a abordagem Well2Wheel (desde a produção do hidrogénio até à energia de propulsão), os especialistas estimam que a célula de combustível é capaz de atingir uma eficiência de 30 até 40%. Os combustíveis sintéticos (também baseados em hidrogénio verde) têm uma eficiência de cerca de 20 até 40%. Embora os veículos elétricos a bateria pontuem com uma eficiência muito mais elevada de 60 até 70%, o tempo necessário para o carregamento das baterias e a autonomia limitada são claramente ineficientes. No entanto, por norma, os valores dependem muito da respetiva tecnologia, das condições locais, da fonte de energia e de outros fatores. Os rápidos avanços tecnológicos podem continuar a ter um impacto significativo na eficiência de cada uma das três tecnologias no futuro.
No entanto, o hidrogénio como combustível representa uma oportunidade muito interessante para dissociar a produção de hidrogénio verde e a sua utilização, tanto em termos de localização como de tempo, e assim poder oferecer sistemas de propulsão eficientes e amigos do ambiente. A célula de combustível é, portanto, uma opção muito interessante para os sistemas de propulsão do futuro.