As células de combustível têm a capacidade de ser a fonte de energia mais eficaz e ecologicamente correta já concebida. Como as células de combustível são capazes de gerar água potável como subproduto, elas são de fato um substituto atraente para a geração de energia tradicional. Quanto mais você poderia querer de uma fonte de energia?
História
Sir William Grove desenvolveu a teoria de uma célula de combustível em funcionamento no ano de 1839. Ele descobriu que a alimentação de hidrogênio e oxigênio a dois eletrodos diferentes submersos em ácido sulfúrico poderia criar eletricidade. As células de combustível, por outro lado, continuaram sendo um mistério por mais de um século.
Por causa de barreiras tecnológicas e econômicas, a ideia de funcionamento de células de combustível iludiu a aplicabilidade prática por muito tempo. Não foi até a década de 1960, com a expansão da exploração espacial, o objetivo de desenvolver a tecnologia de células de combustível como um substituto de energia sustentável para a geração de energia convencional reacendeu.
Células de Combustível vs Geradores de Energia Convencionais
Eficácia e poluição são dois grandes desafios na geração de energia tradicional. A maior parte da eletricidade do mundo é gerada por turbinas a vapor que usam o calor gerado pela combustão do carvão.
Os sistemas mecânicos têm muitas etapas de conversão de energia e as regras da termodinâmica restringem sua eficiência. Como resultado, há um desperdício significativo de energia. Em contraste, uma célula de combustível transforma a energia química inerente do combustível em eletricidade.
Como funciona a uma temperatura específica durante o processo eletroquímico, não é limitado pelos princípios termodinâmicos que limitam as máquinas térmicas.
Combustão, processos industriais e emissões de veículos contribuem para a poluição do ar. Combustão incompleta de combustível, combustível parcialmente queimado, carbono, sulfeto de hidrogênio, co2poeira, dióxido de enxofre, óxidos de nitrogênio e outras toxinas estão entre eles.
O aquecimento dos rios devido ao excesso de calor da geração de energia perturba o equilíbrio natural dos peixes e da fauna. E todos nós estamos cientes da devastação causada pela chuva ácida, que é causada pela emissão de enxofre e nitrogênio na atmosfera.
Em contraste, temos água limpa como subproduto em um processo de célula de combustível. Quem poderia argumentar com isso?
Reações Químicas em uma Célula a Combustível
Em um processo catalítico sem chama, as células de combustível transformam a energia armazenada em interações químicas específicas diretamente em corrente elétrica. Em torno da temperatura ambiente, várias formas de células de combustível têm um desempenho excelente.
Um eletrodo de ânodo (+) e cátodo (-) são separados por um eletrólito condutor, por exemplo, uma solução de hidróxido de potássio, em uma célula de combustível convencional. O eletrodo negativo acumula o combustível, como gás hidrogênio ou hidrazina, que é oxidado gerando elétrons para a carga.
O método de separar um ou mais elétrons de um íon ou molécula é conhecido como oxidação. A oxidação eletroquímica do combustível produz íons de hidrogênio nos eletrodos anódicos nas células de combustível. Se o combustível for hidrogênio, o processo de ionização produz íons de hidrogênio, que podem ser expressos pela seguinte fórmula:
H2 → 2H+ + 2e
Oxigênio, ar ou peróxido de hidrogênio (um recurso de oxigênio) é entregue ao eletrodo catódico, onde é reduzido, resultando na divisão do O2 molécula de oxigênio. Durante este processo, a condução iônica dentro do eletrólito faz com que o circuito seja completado. Como visto na seguinte equação química, o hidrogênio e o oxigênio se combinam para gerar água:
2 horas2 + O2 → 2H2O
Quando a hidrazina é oxidada, produz nitrogênio, que é um componente natural do ar e, portanto, também é seguro:
N2H4+O2 → 2H2O + N2
Você pensaria que, como o hidrogênio é um combustível tão “verde”, podemos simplesmente incendiá-lo na atmosfera e produzir água pura como subproduto, junto com a eletricidade.
A queima de hidrogênio em vez de carvão, óleo ou gasolina pode ser uma melhoria significativa, mas, apesar disso, quando o ar é queimado, uma quantidade substancial de nitrogênio é sugada para o processo de combustão e queimada a cerca de 1000 graus Celsius.
Ele interage parcialmente com o oxigênio nesta alta temperatura, gerando óxidos de nitrogênio. Portanto, embora o produto primário dessa reação seja água potável, a reação secundária que produz dióxido de nitrogênio arruína tudo, tornando a água imprópria para beber.
Essa dificuldade é resolvida quando a reação de hidrogênio e oxigênio é implementada à temperatura ambiente em uma célula a combustível.
Protótipo Experimental
A abordagem descrita abaixo pode ser usada para construir um bom protótipo de célula de combustível. Mas, temos que oferecer o seguinte aviso: Este item nunca deve ser construído ou experimentado de qualquer maneira, a menos que esteja sob a supervisão de um químico ou engenheiro químico extremamente capaz. Em uma célula de combustível, vários produtos químicos e subprodutos gasosos podem ser venenosos e/ou catastróficos!
Como visto na Fig. 1 abaixo, a célula de combustível prática proposta tem dois compartimentos adjacentes divididos por uma membrana. Para cada câmara, um eletrodo cataliticamente ativo é inserido. Um eletrólito líquido é introduzido em ambas as câmaras.
O gás hidrogênio é então expelido de um eletrodo, enquanto o oxigênio ou ar é expelido do outro, e um voltímetro é conectado aos eletrodos.
Membranas semipermeáveis e catalisadores são necessários para a construção de uma célula de combustível. Apenas alguns íons podem viajar através dele, mas ele retém o resto da substância. A segregação de íons não é realmente eficiente em aplicações do mundo real, e alguns vazamentos são comuns e aceitáveis.
O bloqueio absoluto, por outro lado, interromperia um processo.
As membranas semipermeáveis podem ser construídas com os seguintes materiais:
Discos de barro cozido sem esmalte (de um vaso de flores de barro antigo). Fritas de vidro fino (a mistura parcialmente fundida de areia e fundentes de que o vidro é feito). Celofane. Gesso em condição molhada. Cimento úmido e curado. Cimento feito com óxido de zinco ou cloreto de zinco. Espuma plástica de uma determinada composição. Gel de ácido silícico feito pela acidificação gradual da solução de silicato de sódio. Gelatina embebida em sal.
Discos feitos de argila, cimento ou gesso devem ser tão finos quanto possível. Conforme a Fig. 2 abaixo, os géis devem ser utilizados para criar pontes de íons. As fritas de vidro estão disponíveis em lojas de material de laboratório e são ideais para esta aplicação. Os gases sobem mais alto e permanecem na posição correta quando as fritas de vidro são utilizadas.
Qualquer separação razoável será suficiente.
Para o protótipo foram utilizadas duas garrafas quadradas de polietileno, juntamente com uma grande e fina frita de vidro que foi cimentada em orifícios perfurados nas laterais da garrafa, conforme indicado na (Fig. 3) abaixo.
É preciso um pouco de persuasão para obter hidrogênio e oxigênio para interagir à temperatura ambiente. Você não encontrará nada acontecendo até que o catalisador certo seja fornecido.
Um catalisador é uma substância que acelera os processos sem participar ativamente deles. Você não encontrará nenhuma energia elétrica criada se configurar um H2/O2 célula de combustível usando ácido sulfúrico e eletrodos de carbono, por exemplo. A reação começa apenas quando eletrodos de carbono revestidos de platina ou paládio são utilizados.
Enrolar fio de platina e uma malha de platina ao redor das hastes de carbono é um dos métodos para galvanizar o carbono e funciona muito bem. Revestir a malha de níquel com paládio é uma abordagem simples e barata para produzir uma enorme superfície de paládio.
Isso pode ser feito embebendo uma rede de níquel durante a noite em uma solução de dicloreto de paládio a 2%. O acabamento parece ser preto. O níquel revestido com paládio tem as mesmas propriedades do paládio puro. A menos que a platina esteja acessível para você, você deve seguir o método descrito acima.
Uma bobina de eletrodos é enrolada ao redor do tubo. Condutores feitos de fio de cobre são interconectados. Uma solução de hidróxido de potássio a 30% serve bem como eletrólito. Contêineres de laboratórios de oxigênio e hidrogênio com válvulas de redução de laboratório relativamente baratas podem ser adquiridos.
Zinco e ácido clorídrico diluído também podem ser usados para produzir hidrogênio. Isso deixa você com uma solução de cloreto de zinco que é perigosa para o meio ambiente e deve ser descartada de acordo com os regulamentos.
Para que o hidrogênio inflamável escapasse, o experimento completo foi feito ao ar livre por 12 horas. O fluxo de gás foi medido usando rotâmetros. Se desejar, indicadores de bolha podem ser usados em vez disso. A taxa de fluxo de gás foi de 10-20 litros por hora (1/h), no entanto, pode ser variada. O fluxo de oxigênio deve ser cerca de metade do de hidrogênio. Como o hidrogênio deve saturar a superfície do metal de platina, o processo de reação pode ser lento inicialmente.
Por muitos minutos, pode-se ver uma leitura de aproximadamente 10 mV, que aumentará gradualmente. Como pode haver estágios nesse aumento, um pequeno dreno pode ser introduzido conectando um resistor de 100 ohms entre as duas câmaras. Após alguns minutos, pode ser retirado novamente. Isso ajuda na redução dos efeitos de polarização. Após cerca de 10 minutos, o protótipo discutido mostrou 998 mV.
A célula criará uma tensão por um período de tempo depois que o hidrogênio for desligado para ajustar o início atrasado. Depois de terminar, coloque a solução de hidróxido de potássio em uma garrafa de plástico com uma tampa bem fechada. Ele pode ser reutilizado, embora colete carbonato com o tempo, tornando-o menos eficaz.
Para o mesmo objetivo, algumas pessoas preferem ácido sulfúrico diluído, pois dura mais tempo. Na maioria das circunstâncias, o ar pode ser usado em vez de oxigênio. No entanto, como o oxigênio compõe apenas 1/5 do ar, a proporção deve ser aumentada. Embora o peróxido de hidrogênio possa substituir o oxigênio, pode causar diluição do eletrólito.
O hidrogênio pode ser substituído por gases com teor de hidrogênio, como o “gás da cidade”, que contém hidrogênio, metano e monóxido de carbono e é gerado a partir do carvão. A célula de combustível também pode ser utilizada como uma unidade de uso único para combustíveis líquidos, como hidrazina e peróxido de hidrogênio a 30%.
Ambos os produtos químicos são geralmente usados como combustíveis para foguetes, mas podem ser facilmente gerenciados. Eles são, ainda assim, extremamente perigosos e tóxicos. Como a hidrazina é comprovadamente cancerígena, só deve ser manuseada por quem tem experiência e sabe trabalhar com compostos extremamente perigosos. O peróxido de hidrogênio em uma concentração de 30% pode branquear as mãos e deve ser administrado com muita cautela.
Você pode estar confuso sobre por que as células de combustível não são usadas com mais frequência. A primeira grande desvantagem é o custo, que é principalmente um fator importante na geração de energia. O hidrogênio é um combustível caro quando comparado a outras formas de combustíveis, e armazená-lo com segurança continua sendo um problema.
Talvez em um futuro próximo possamos converter água em hidrogênio e oxigênio usando energia solar em grande escala, que poderá ser armazenada. Em uma célula de combustível, os dois gases podem ser recombinados em água sempre que a energia for necessária.
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