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Célula a combustível

Química

A célula a combustível é um dispositivo muito utilizado em espaçonaves que utiliza combustíveis gasosos que são injetados para reagir e gerar energia elétrica e água.
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As células a combustível são dispositivos que têm o funcionamento parecido com o das pilhas, com a diferença de que as pilhas possuem seus reagentes armazenados em seu interior, sofrendo reações de oxidorredução e transformando energia química em elétrica; enquanto as células a combustível não têm a energia química armazenada, mas os reagentes são continuamente injetados.

Há vários tipos de células a combustível, mas todas elas possuem o mesmo princípio de funcionamento e utilizam combustíveis gasosos. Assim, as células a combustível convertem a energia liberada em reações de combustão em energia elétrica.

Abaixo temos o esquema de uma das células de combustíveis mais comuns, denominada de AFC (do inglês Alkaline Fuel Cell, que traduzido significa “célula de combustível alcalina”):

Esquema de funcionamento de uma célula a combustível hidrogênio/oxigênio
Esquema de funcionamento de uma célula a combustível hidrogênio/oxigênio

Esse é o esquema de uma célula a combustível, mas, se associarmos várias células em série, o resultado será uma pilha de combustível, com maior potência.

Observe que o gás hidrogênio (H2), que é o combustível, é bombeado para dentro da estrutura porosa do ânodo (polo negativo), que nesse caso é constituído de níquel. Depois de atravessá-lo, o hidrogênio passa para o eletrólito (solução aquosa de hidróxido de potássio, KOH(aq)), onde se dissolve e reage, formando o cátion H+ e liberando elétrons. Assim, a semirreação do ânodo pode ser representada por:

Ânodo: 1H2(g) + 2 OH-(aq) → 2 H2O(ℓ)  + 2e-

Esses elétrons são conduzidos até o cátodo por meio do circuito externo. O cátodo é um eletrodo de níquel recoberto de óxido de níquel hidratado (Ni(OH)(s)) que catalisa a redução do oxigênio (proveniente geralmente do bombeamento de ar), que ocorre quando ele recebe os elétrons. Desse modo, a semirreação que ocorre no cátodo é:

Cátodo: ½ O2(g) + 1 H2O(ℓ) + 2e- → 2 OH-(aq)

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A reação global é dada por:

2 H2(g)  + O2(g)  → 2 H2O(ℓ)

Veja que além da eletricidade produzida, essa célula gera água, o que corresponde a uma das suas principais vantagens. É por isso que ela é muito usada em espaçonaves, principalmente as americanas, tais como Gemini, Apollo e o Ônibus espacial. Para se ter uma ideia, em 7 dias, sendo movida à célula de combustível, a nave americana Apollo consome 680 kg de hidrogênio e produz 720 L de água.

Veja abaixo uma célula a combustível da NASA:

Célula a combustível da NASA movida a metanol
Célula a combustível da NASA movida a metanol

Além disso, muitos cientistas a têm encarado como um combustível do futuro, pois praticamente não gera poluentes. Em virtude da crise do petróleo, desde 1973 estudos a fim de usar as células a combustível em automóveis e em residências, comércios e indústrias vêm crescendo cada vez mais. Por exemplo, muitos fabricantes de automóveis na Europa, Japão e Estados Unidos estão colocando em exposição e demonstrando veículos movidos a células a combustível com alto desempenho e emissões zero de poluentes.

LOS ANGELES - 19 de novembro de 2008: Honda apresenta o Honda FCSport, veículo de célula de combustível no LA Auto Show*
LOS ANGELES - 19 de novembro de 2008: Honda apresenta o Honda FCSport, veículo de célula de combustível no LA Auto Show*

Geralmente, nesses casos, é melhor usar combustíveis líquidos, como o metanol e o etanol, que podem ser reformados a hidrogênio a bordo do veículo ou que podem ser utilizados diretamente.

* Créditos editoriais da imagem: LovelaceMedia / Shutterstock.com .


Por Jennifer Fogaça
Graduada em Química

As naves americanas Gemini e Apollo são exemplos de espaçonaves tripuladas movidas a células a combustível
As naves americanas Gemini e Apollo são exemplos de espaçonaves tripuladas movidas a células a combustível

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

FOGAçA, Jennifer Rocha Vargas. "Célula a combustível"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/quimica/celula-combustivel.htm. Acesso em 12 de novembro de 2019.

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