Células de combustível de membrana de troca de prótons

As células de combustível são dispositivos que transformam energia química em energia elétrica e são frequentemente usadas como uma fonte de energia limpa e alternativa.

Embora a gasolina ainda seja a principal fonte de combustível para veículos nos EUA, fontes alternativas de combustível têm sido exploradas nas últimas décadas para diminuir a dependência de combustíveis fósseis e gerar fontes de energia mais limpas.

As células de combustível de hidrogênio utilizam hidrogênio limpo como combustível e produzem apenas água como resíduo. Embora sejam frequentemente comparadas às baterias, as células de combustível são mais semelhantes aos motores de automóveis, pois não podem armazenar energia e requerem uma fonte constante de combustível para produzir energia. Como resultado, uma quantidade significativa de hidrogênio é necessária para a operação constante da célula de combustível.

Este vídeo apresentará a eletrólise da água em escala laboratorial para produzir gás hidrogênio, seguida pela operação de uma célula de combustível de hidrogênio em pequena escala.

O hidrogênio é o elemento mais abundante no universo. Na Terra, é encontrado principalmente em compostos com outros elementos. Portanto, para usar o hidrogênio elementar como combustível, ele deve ser refinado a partir de outros compostos. A maior parte do gás hidrogênio é produzida por meio do processo de reforma do metano, que consome muita energia, que isola o hidrogênio do gás metano. No entanto, esse processo consome muita energia, utiliza combustíveis fósseis e resulta em quantidades significativas de gases residuais. Isso contribui para as mudanças climáticas e também envenena as células de combustível e diminui a operabilidade.

A eletrólise da água é um método alternativo para a produção de gás hidrogênio limpo, ou seja, hidrogênio livre de gases contaminantes. Na eletrólise, a água é dividida em hidrogênio e gás oxigênio, usando uma corrente elétrica. Para fazer isso, uma fonte de energia elétrica é conectada a dois eletrodos, que são feitos de um metal inerte. Os eletrodos são então colocados na água e a corrente elétrica aplicada. Para eletrólise em pequena escala, uma bateria ou pequeno painel solar pode ser usado para gerar corrente suficiente para dividir a água. No entanto, em aplicações de grande escala, são necessárias fontes de maior densidade de energia.

A reação de eletrólise é uma reação de oxidação-redução, ou redox. Há duas vezes mais moléculas de hidrogênio produzidas do que moléculas de oxigênio, de acordo com a reação química balanceada. O gás hidrogênio gerado a partir dessa reação eletroquímica pode ser coletado e armazenado para uso como combustível em uma célula de combustível. Uma célula de combustível de membrana de troca de prótons, ou PEM, transforma energia química, ou gás hidrogênio, em energia elétrica. Tal como acontece com a eletrólise, a célula de combustível PEM emprega uma reação redox. O gás hidrogênio é entregue ao ânodo do conjunto da célula de combustível, onde é oxidado para formar prótons e elétrons.

Os prótons carregados positivamente migram através da membrana de troca de prótons para o cátodo. No entanto, os elétrons carregados negativamente são incapazes de permear a membrana. Os elétrons viajam através de um circuito externo, fornecendo corrente elétrica. O gás oxigênio é entregue ao cátodo do conjunto da célula de combustível, onde ocorre a reação de redução. Lá, o oxigênio reage com os prótons e elétrons que foram gerados no ânodo, para formar água. A água é então removida da célula de combustível como resíduo.

Agora que os fundamentos da operação da célula de combustível foram explicados, vamos examinar esse processo no laboratório.

Para iniciar o procedimento, configure o eletrolisador e os dois cilindros de coleta de gás. Encha os recipientes externos com água destilada até a marca zero. Coloque os cilindros de coleta de gás nos recipientes externos.

Em seguida, conecte o eletrolisador aos cilindros de coleta de gás usando tubos. Conecte um painel solar ao eletrolisador usando fios jumper. Coloque o painel solar sob luz solar direta para alimentar a produção de gás hidrogênio. Se não houver luz natural suficiente, simule a luz do sol usando uma lâmpada.

O hidrogênio e o gás oxigênio começarão a entrar nos cilindros internos de coleta de gás. Monitore o volume de cada gás produzido em intervalos de 30 segundos, usando a escala marcada no cilindro externo.

Quando o cilindro interno está completamente cheio de gás hidrogênio, bolhas emergem do cilindro interno, eventualmente atingindo a superfície. Neste ponto, desconecte o painel solar do eletrolisador e feche a pinça no tubo de gás hidrogênio, para que nenhum gás hidrogênio escape. Observe que há duas vezes mais gás hidrogênio produzido do que gás oxigênio, conforme previsto na equação química balanceada.

Para iniciar a operação da célula de combustível, coloque-a na bancada. Desconecte a tubulação de gás hidrogênio do eletrolisador e conecte-a à célula de combustível. O oxigênio necessário é coletado do ar.

Conecte a célula de combustível a um ventilador ou luz LED para visualizar a geração de energia. Solte a cinta no tubo de gás hidrogênio para permitir o fluxo de gás para a célula de combustível. Se o ventilador não começar a girar, pressione a válvula de purga na célula de combustível para estimular o fluxo de gás.

O ventilador continuará a girar até que todo o gás hidrogênio seja consumido.

Existem muitos tipos diferentes de células de combustível que estão sendo desenvolvidas como soluções de energia limpa. Aqui apresentamos três tecnologias emergentes.

As células a combustível de óxido sólido, ou SOFC's, são outro tipo de célula a combustível, que operam de forma semelhante a uma célula a combustível PEM, exceto que a membrana permeável é substituída por um óxido sólido. Tal como acontece com as células de combustível PEM, a operabilidade do SOFC diminui após a exposição a gases contaminantes contendo enxofre e carbono. Neste exemplo, os eletrodos SOFC foram fabricados e, em seguida, expostos a ambientes operacionais típicos em alta temperatura na presença de combustível contaminado com enxofre e carbono.

O envenenamento da superfície do eletrodo foi estudado por meio de eletroquímica e espectroscopia Raman. Os resultados mostraram que a corrente diminuiu após o envenenamento por enxofre, mas que a recuperação foi possível. Estudos de microscopia de força atômica elucidaram a morfologia dos depósitos de carbono, o que pode levar a um maior desenvolvimento para prevenir esse envenenamento.

Uma célula de combustível microbiana deriva corrente elétrica de bactérias encontradas na natureza. Neste exemplo, bactérias adquiridas de estações de tratamento de águas residuais foram cultivadas e usadas para cultivar biofilmes. Uma célula eletroquímica de três eletrodos foi montada, a fim de cultivar bactérias na superfície de um eletrodo. O biofilme foi cultivado eletroquimicamente em vários ciclos de crescimento.

O biofilme resultante foi então testado eletroquimicamente para transferência de elétrons extracelulares. Os resultados eletroquímicos foram então usados para entender a transferência de elétrons e a aplicação potencial do biofilme em células de combustível microbianas.

A eletrólise requer energia para quebrar a água em hidrogênio e oxigênio. Este processo consome muita energia em grande escala, mas pode ser operado em pequena escala usando uma célula solar.

Uma fonte alternativa de energia para eletrólise é a energia eólica. No laboratório, a eletrólise pode ser alimentada com uma turbina eólica em escala de bancada. Nesta demonstração, a turbina eólica foi alimentada usando vento simulado gerado por um ventilador de mesa.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE à célula de combustível PEM. Agora você deve entender a operação básica de uma célula de combustível PEM e a geração de gás hidrogênio por eletrólise. Obrigado por assistir!