Células de combustível de membrana de troca de prótons

Células de combustível são dispositivos que transformam energia química em energia elétrica, e são frequentemente usados 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, a fim de diminuir a dependência de combustíveis fósseis e gerar fontes mais limpas de energia.

As células de combustível de hidrogênio utilizam hidrogênio limpo como combustível, e produzem apenas água como resíduo. Embora sejam frequentemente comparadas com as 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 introduzirá eletrólise em escala laboratorial de água para produzir gás hidrogênio, seguido pela operação de uma célula de combustível de hidrogênio em pequena escala.

Hidrogênio é o elemento mais abundante no universo. Na Terra, é encontrada principalmente em compostos com outros elementos. Portanto, para usar hidrogênio elementar como combustível, ele deve ser refinado a partir de outros compostos. A maioria do gás hidrogênio é produzido através do processo de reforma intensiva de metano, que isola o hidrogênio do gás metano. No entanto, esse processo é extremamente intensivo em 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 produzir 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 isso, uma fonte de energia elétrica está 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 em larga escala, são necessárias fontes de maior densidade energética.

A reação de eletrólise é uma redução de oxidação, ou redox, reação. Há duas vezes mais moléculas de hidrogênio produzidas como moléculas de oxigênio, de acordo com a reação química equilibrada. O gás hidrogênio gerado a partir desta reação eletroquímica pode ser coletado e armazenado para uso como combustível em uma célula de combustível. Uma membrana de troca de prótons, ou PEM, célula de combustível transforma energia química, ou gás hidrogênio, em energia elétrica. 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 da montagem 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 lixo.

Agora que o básico da operação da célula de combustível foi explicado, vamos olhar para este processo em laboratório.

Para iniciar o procedimento, configure o eletrólito 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 eletrólito aos cilindros de coleta de gás usando tubos. Conecte um painel solar ao eletrólito usando fios de 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 solar 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 s, utilizando a balança marcada no cilindro externo.

Quando o cilindro interno estiver completamente cheio de gás hidrogênio, bolhas surgirão do cilindro interno, chegando eventualmente à superfície. Neste ponto, desconecte o painel solar do eletrólito e feche o cincher no tubo de gás hidrogênio, então nenhum gás hidrogênio escapa. Note que há o dobro de gás hidrogênio produzido como gás oxigênio, como previsto na equação química equilibrada.

Para começar a operação da célula de combustível, coloque a célula de combustível na parte superior do banco. Desconecte a tubulação de gás hidrogênio do eletrólito e conecte-o 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 o cinch 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 incentivar o fluxo de gás.

O ventilador continuará girando 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 de combustível de óxido sólido, ou SOFC’s, são outro tipo de célula de combustível, que operam de forma semelhante a uma célula de combustível PEM, exceto que a membrana permeável é substituída por um óxido sólido. Assim como as células de combustível PEM, a operabilidade da diminuição do SOFC após a exposição a gases contaminantes contendo enxofre e carbono. Neste exemplo, os eletrodos SOFC foram fabricados e expostos a ambientes operacionais típicos em alta temperatura na presença de enxofre e combustível contaminado por carbono.

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

Uma célula de combustível microbiana deriva corrente elétrica de bactérias encontradas na natureza. Neste exemplo, foram cultivadas bactérias adquiridas de estações de tratamento de águas residuais e utilizadas para cultivar biofilmes. Uma célula eletroquímica de três eletrodos foi criada, 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 para transferência de elétrons extracelulares eletroquimicamente. Os resultados eletroquímicos foram então usados para entender a transferência de elétrons e a potencial aplicação do biofilme às células de combustível microbiana.

A eletrólise requer energia para quebrar água em hidrogênio e oxigênio. Este processo é intensivo em energia em larga 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 banco. Nesta demonstração, a turbina eólica foi alimentada usando vento simulado gerado por um ventilador de mesa.

Você acabou de assistir a introdução do 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 através da eletrólise. Obrigado por assistir!