Célula de combustível de hidrogênio: descrição, características, princípio de operação, foto

Uma célula de combustível é um dispositivo que gera calor e corrente contínua de forma eficiente através de uma reação eletroquímica e usa combustível rico em hidrogênio. Basicamente, é semelhante a uma bateria. Estruturalmente, a célula a combustível é representada por um cátodo, um ânodo e um eletrólito. Quão maravilhoso é isso? Ao contrário das próprias baterias, as células de combustível de hidrogênio não armazenam eletricidade, não precisam de eletricidade para recarregar e não descarregam. As células continuam a gerar eletricidade desde que tenham ar e combustível.

Peculiaridades

As células de combustível diferem de outros geradores de energia, pois não queimam combustível durante a operação. Graças a esse recurso, eles não precisam de rotores de alta pressão, não emitem ruídos e vibrações fortes. A eletricidade nas células de combustível é gerada por uma reação eletroquímica silenciosa. A energia química do combustível em tais dispositivos é convertida diretamente em água, calor e eletricidade.

As células de combustível são muito eficientes e não emitem grandes quantidades de gases de efeito estufa. O produto emitido durante a operação da célula é uma pequena quantidade de água na forma de vapor e dióxido de carbono, que não é liberada se hidrogênio puro for usado como combustível.

História da aparência

Nas décadas de 1950 e 1960, a crescente necessidade da NASA por fontes de energia para voos espaciais de longo alcance levou a um dos mais importantes desafios de células de combustível existentes na época. As células alcalinas usam oxigênio e hidrogênio como combustível, que, durante uma reação eletroquímica, são convertidos em subprodutos úteis durante o voo espacial: eletricidade, água e calor.

As células de combustível foram descobertas pela primeira vez no início do século 19, em 1838. Ao mesmo tempo, surgiram as primeiras informações sobre sua eficácia.

O trabalho em células de combustível usando eletrólitos alcalinos começou no final da década de 1930. As células com eletrodos de alta pressão niquelados não foram inventadas até 1939. Durante a Segunda Guerra Mundial, as células de combustível submarinas britânicas foram desenvolvidas, consistindo em elementos alcalinos com cerca de 25 centímetros de diâmetro.

O interesse por eles aumentou nas décadas de 1950-1980, que se caracterizaram pela escassez de óleo combustível. Países ao redor do mundo começaram a combater a poluição do ar e do meio ambiente, tentando desenvolver formas ecologicamente corretas de gerar eletricidade. A tecnologia de células de combustível está atualmente em desenvolvimento ativo.

Princípio da Operação

Calor e eletricidade são produzidos por células de combustível através de uma reação eletroquímica que usa um cátodo, um ânodo e um eletrólito.

O cátodo e o ânodo são separados por um eletrólito condutor de prótons. Depois de fornecer oxigênio ao cátodo e hidrogênio ao ânodo, inicia-se uma reação química que produz calor, corrente e água.

O hidrogênio molecular dissocia-se no catalisador anódico, resultando na perda de elétrons. Os íons de hidrogênio entram no cátodo através do eletrólito, enquanto os elétrons passam pela rede elétrica externa e criam uma corrente contínua que é usada para alimentar o equipamento. A molécula de oxigênio no catalisador catódico combina-se com um elétron e próton de entrada, eventualmente formando água, que é o único produto da reação.

Tipos

A escolha de um determinado tipo de célula a combustível depende de sua aplicação. Todas as células de combustível se enquadram em duas categorias principais: alta temperatura e baixa temperatura. Os últimos usam hidrogênio puro como combustível. Tais dispositivos normalmente requerem a conversão de combustível primário em hidrogênio puro. O processo é realizado em equipamentos especiais.

As células de combustível de alta temperatura não precisam delas porque convertem o combustível em altas temperaturas, eliminando a necessidade de uma infraestrutura de hidrogênio.

O princípio de funcionamento das células a combustível de hidrogênio baseia-se na conversão de energia química em energia elétrica sem processos de combustão ineficientes e na conversão de energia térmica em energia mecânica.

Conceitos gerais

As células de combustível de hidrogênio são dispositivos eletroquímicos que geram eletricidade pela combustão de combustível “frio” altamente eficiente. Existem vários tipos de tais dispositivos. A tecnologia de células de combustível hidrogênio-ar equipadas com uma membrana de troca de prótons PEMFC é considerada a mais promissora.

Uma membrana de polímero com condutividade de prótons é projetada para separar dois eletrodos: cátodo e ânodo. Cada um deles é representado por uma matriz de carbono na qual o catalisador é depositado. O hidrogênio molecular dissocia-se no catalisador anódico, doando elétrons. Os cátions passam para o cátodo através da membrana, mas os elétrons são transferidos para o circuito externo, uma vez que a membrana não foi projetada para transportar elétrons.

Uma molécula de oxigênio em um catalisador catódico combina com um elétron de um circuito elétrico e um próton de entrada, eventualmente formando água, que é o único produto da reação.

Células a combustível de hidrogênio são usadas para produzir conjuntos membrana-eletrodo, que servem como os principais elementos geradores do sistema de energia.

Vantagens das células de combustível de hidrogênio

Entre eles devem ser destacados:

• Aumento da capacidade de calor específico.
• Ampla faixa de temperatura de operação.
• Sem vibração, ruído ou calor.
• Confiabilidade de partida a frio.
• Falta de autodescarga, o que garante um longo período de armazenamento de energia.
• Autonomia ilimitada graças à capacidade de regular o consumo de energia alterando o número de cartuchos de combustível.
• Garantindo praticamente qualquer intensidade energética, alterando a capacidade de armazenamento de hidrogênio.
• Longo prazo.
• Operação silenciosa e ecológica.
• Alto consumo de energia.
• Resistência a impurezas estranhas no hidrogênio.

Area de aplicação

Devido à sua alta eficiência, as células a combustível de hidrogênio são usadas em vários campos:

• Carregadores portáteis.
• Sistemas de energia para UAVs.
• UPS.
• Outros dispositivos e equipamentos.

Perspectivas para a energia do hidrogênio

O uso generalizado de células de combustível baseadas em peróxido de hidrogênio só será possível após a criação de um método eficaz de produção de hidrogênio. Novas idéias são necessárias para o uso ativo desta tecnologia, com grandes esperanças depositadas no conceito de células de biocombustível e nanotecnologia. Várias empresas lançaram catalisadores relativamente eficientes à base de vários metais, ao mesmo tempo, surgiram informações sobre a criação de células a combustível sem membrana, o que reduziu significativamente os custos de produção e simplificou o projeto de tais dispositivos. As vantagens e características das células a combustível de hidrogênio não superam sua principal desvantagem – alto custo, especialmente em comparação com dispositivos de hidrocarbonetos. A construção de uma usina de hidrogênio requer pelo menos US$ 500.000.

Como construir uma célula de combustível de hidrogênio?

Uma célula de combustível de baixa potência pode ser criada por você em um laboratório doméstico ou escolar típico. Os materiais utilizados foram uma máscara de gás antiga, pedaços de plexiglass, uma solução aquosa de álcool etílico e álcali.

O corpo da célula de combustível de hidrogênio é feito à mão de Plexiglas com uma espessura de pelo menos cinco milímetros. As partições entre os compartimentos podem ser mais finas – cerca de 3 milímetros. O plexiglas é colado com um adesivo especial à base de clorofórmio ou dicloroetano e aparas de plexiglass. Todo o trabalho é realizado apenas com o exaustor em funcionamento.

Um orifício com um diâmetro de 5-6 centímetros é feito na parede externa da caixa, na qual uma rolha de borracha e um tubo de drenagem de vidro são inseridos. O carvão ativado de uma máscara de gás é derramado no segundo e quarto compartimentos da carcaça da célula de combustível – será usado como eletrodo.

O combustível circulará na primeira câmara e a quinta será preenchida com ar, de onde fluirá o oxigênio. O eletrólito derramado entre os eletrodos é impregnado com uma solução de parafina e gasolina para que não entre na câmara de ar. Placas de cobre são colocadas em uma camada de carvão com fios soldados a elas, através das quais a corrente será desviada.

A vodka diluída com água na proporção de 1: 1 é colocada na célula de combustível de hidrogênio montada. Hidróxido de potássio é cuidadosamente adicionado à mistura resultante: 70 gramas de potássio são dissolvidos em 200 gramas de água.

Antes de testar uma célula de combustível em hidrogênio, o combustível é despejado na primeira câmara e o eletrólito é despejado na terceira. As leituras do voltímetro conectado aos eletrodos devem estar entre 0,7 e 0,9 volts. Para garantir o funcionamento contínuo da célula, é necessário drenar o combustível usado e abastecer o combustível novo através de uma mangueira de borracha. Pressionar a mangueira ajusta a taxa de entrega de combustível. Essas células de combustível de hidrogênio caseiras têm pouca energia.