Conheça os principais termos utilizados em Células a Combustível

CaCNeste primeiro tópico trataremos sobre os principais termos científicos utilizados nas pesquisas sobre Células a Combustível. Conhecer o significado desses termos, sequencialmente, nos levará ao cálculo da energia perdida nas reações das células a combustível, em forma de calor. Teremos noções sobre como o máximo trabalho elétrico, obtido numa Célula a Combustível (CaC), operando à temperatura e pressão constante, é dado pela variação da energia livre padrão de Gibbs da reação eletroquímica da célula e, por fim, tentaremos calcular a eficiência de uma célula combustível.

Convém lembrar que as nossas equações são escritas no editor Latex, portanto, melhores visualizadas com o navegador Firefox. Papel e lápis nas mãos e bons estudos!

TERMOS CIENTÍFICOS UTILIZADOS

Para obtermos um bom aproveitamento na disciplina “Introdução a Tecnologia de Células a Combustível” é necessário entendermos, sequencialmente, os termos, palavras e assuntos científicos que envolvem essa tecnologia. Você deve se aprofundar nos significados das palavras de cunho científico que, neste estudo, estão em itálico e cor vermelha. São termos muito familiares  utilizados na tecnologia das Células a Combustível  (CaCs). Com as noções que serão passadas neste tópico e nos próximos, provavelmente, o estudante não terá grandes dificuldades em assimilar mais estudos sobre as CaCs. Esses conhecimentos básicos também podem proporcionar algum interesse por essa crescente inovação tecnológica. Alguns termos que serão vistos:

Entalpia, variação de entalpia, estado-padrão de uma substância, variação de entalpia-padrão, entalpia padrão de combustão, reação de formação de uma substância, entalpia-padrão de formação ou calor de formação, energia livre padrão de Gibbs, trabalho elétrico em uma CaC, entropias padrão dos reagentes, produtos das células a combustível.

Com o conhecimento desses assuntos, tentaremos chegar ao cálculo do rendimento de um célula hidrogênio/oxigênio.

ENERGIA LIMPA E EFICIENTE

A célula a combustível é uma tecnologia que utiliza hidrogênio e oxigênio para produzir eletricidade com alta eficiência e que se destaca por não lançar poluentes na atmosfera, pois o produto da reação é a água. Embora ainda com alto custo, a Célula a Combustível produz energia limpa e eficiente. Portanto, uma nova fase de geração de energia está surgindo, quer seja pela poluição causada pela queima de combustíveis fósseis quer pela própria limitação desses combustíveis, pois temos a necessidade de produzir uma energia mais limpa e eficiente. Atualmente, a corrida científica é pela célula a combustível de hidrogênio.

CONTRIBUIÇÃO DE JOSIAH W. GIBBS

O físico, químico teórico e matemático americano Josiah Willard Gibbs (1839-1903), nascido na cidade de New Haven, estado de Connecticut, prestou excelentes contribuições em mecânica estatística, cálculo vetorial, teoria eletromagnética da luz, termodinâmica, estudo do comportamento dos fluidos, transferência de calor e equilíbrio de substâncias heterogêneas. Gibbs aplicou a termodinâmica para interpretar fenômenos físico-químicos, introduzindo as variáveis entropia e energia interna para caracterizar os estados de equilíbrio de um sistema.

Gibbs

Adiante veremos como a tecnologia de CaC, operando com temperatura e pressão constante, usa a variação da energia livre de Gibbs, ou seja, a porção da energia disponível na célula que pode ser convertida em trabalho elétrico. Mas, o que é trabalho elétrico?

TRABALHO ELÉTRICO

Chuveiro elétricoDe acordo com a física, a energia é a capacidade que um corpo tem de realizar trabalho e todo corpo em movimento pode realizar trabalho. É um conceito muito interessante visto que tudo no universo está em movimento. O trabalho elétrico é o trabalho realizado pelos elétrons em movimento ordenado (corrente elétrica) ao atravessar um corpo submetido a uma diferença de potencial (ddp). Na prática o trabalho elétrico é manifestado, por exemplo, na incandescência do filamento de uma lâmpada, no aquecimento da resistência de um ferro elétrico, de um chuveiro elétrico e também em CaCs. Mas, como funciona basicamente uma célula a combustível?

FUNCIONAMENTO BÁSICO DE UMA CaC

As células a combustível são baterias, as quais convertem energia química diretamente em energia elétrica e térmica. Elas possuem uma operação contínua devido à alimentação constante de um combustível. A conversão ocorre por meio de duas reações químicas parciais em dois eletrodos separados por um eletrólito: a oxidação H2- de um combustível no ânodo e a redução de um oxidante 02- no cátodo. Os prótons gerados na reação anódica são conduzidos pelo eletrólito até o cátodo, onde se ligam aos ânions oxigênio O2- formando água.

CaC

Esquema simplificado de uma CaC hidrogênio/oxigênio.

Podemos observar, de acordo com o esquema, as reações que acontecem no ânodo, no cátodo e na célula globalmente. A seguir vamos descrever essas reações.

REAÇÕES QUÍMICAS PRODUZIDAS

Como mostrado no esquema acima, o combustível hidrogênio entra na célula pelo ânodo (eletrodo poroso à esquerda), é oxidado a íons 2H+ (2 prótons) e produz dois elétrons por meio da seguinte reação de oxidação auxiliada pelo catalisador:

H_2 \rightarrow 2H^{+} + 2e^{-}

Note que os dois elétrons produzidos na reação de oxidação do hidrogênio ajudam na formação da corrente elétrica e que os cátodos devem ser porosos para entrada de hidrogênio e oxigênio.

Sendo o cátodo (eletrodo à direita) também poroso, o oxigênio consegue atravessá-lo. O eletrólito sólido transporta os íons (prótons) carregados do ânodo para o cátodo e os elétrons são forçados a passar para um circuito externo (no desenho, por cima), estabelecendo uma corrente elétrica que pode ser usada como energia.

No cátodo, o oxigênio reage com os prótons transportados por meio do eletrólito e, ao mesmo tempo, com os elétrons oriundos do circuito elétrico para formar a água. A água escoa para fora da célula combustível. Portanto, no cátodo ocorre a seguinte reação de redução:

\frac{1}{2}O_{2}+2H^{+} + 2e^{-}\rightarrow H_{2}O(l).

Considerando um estado de referência de 25°C (298,15 K) e 0,1 MPa  para o hidrogênio, o oxigênio e a água, a reação química global da célula pode ser escrita como:

H_{2} + \frac{1}{2}O_{2}\rightarrow H_{2}O(l)+ Calor.

Nessa reação houve a produção de água e calor (processo exotérmico). A energia de entrada de uma célula será a entalpia do hidrogênio.

No próximo tópico serão abordados noções de entalpia com seus termos relacionados, tais como variação de entalpia, estado padrão de uma substância, variação de entalpia-padrão, combustão, entalpia-padrão de combustão, reação de formação de uma substância, entalpia-padrão de formação ou calor de formação.

Uma bibliografia mais avançada:

Livro: “Fuel Cell Technology”

 Bons estudos!

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