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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.

Journal of Power Sources, n.105, 195-201, 2002

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.