Este documento apresenta um resumo sobre células de combustível. Descreve os principais tipos de células de combustível como PEMFC, PAFC, MCFC e SOFC. Explica o funcionamento básico de uma célula de combustível, incluindo as reações eletroquímicas nos elétrodos e os processos de condução de elétrons e prótons. Apresenta também resultados experimentais obtidos com células de combustível no ISEP.

1. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Instituto Superior de Engenharia do Porto
Leonardo Ribeiro
Mestrado em Engenharia Mecânica
Mestrado em Energias Sustentáveis
2013

2. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Sumário.
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Introdução.
O que é uma célula de combustível?
Vantagens das células de combustível.
Desvantagens das células de combustível.
Tipos de células de combustível.
Funcionamento de uma célula de combustível.
Desempenho de uma célula de combustível.
Aplicações das células de combustível.
Células de combustível e ambiente (Sociedade do hidrogénio).
Apresentação sumária do trabalho laboratorial feito no ISEP por
alunos de Engenharia Mecânica.

3. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Introdução.
• William Grove construiu a primeira célula de combustível
(CC) em 1839.
• Nessa célula ocorria electrólise ao contrário: entrada de
H2 e O2; saída de electricidade.

4. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Introdução: Células de combustível (CC) e
motores de combustão interna (MCI).
•
No MCI há mistura íntima de reagentes. Na CC os reagentes não se misturam.
•
No MCI o mecanismo cinético de combustão é composto por muitas reacções
elementares. Na CC há duas reacções: no ânodo e no cátodo.
•
No MCI a reacção é rápida, o que implica geração de calor. Na CC a reacção global
é lenta: iões e electrões seguem caminhos diferentes.
•
O MCI e as CC debitam energia enquanto forem abastecidos por reagentes.

5. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Introdução: Células de combustível e baterias.
• As CC não se descarregam. Funcionam enquanto forem
alimentadas por reagentes.
• As baterias descarregam-se e a sua carga é demorada.

6. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
O que é uma Célula de Combustível?

7. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Vantagens.
• Mais eficientes que os MCI, pois convertem directamente energia
química dos reagentes em electricidade.
• Não precisam de ser carregadas como as baterias.
• Não têm peças móveis, o que as torna silenciosas, pouco sujeitas a
avarias e duráveis.
• Não produzem substâncias poluentes.
• Bom desempenho para gama alargada de potência.

8. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Desvantagens.
• Preço muito alto.
• Fornecimento público deficiente dos reagentes consumidos pelas
CC.
• Armazenamento dos reagentes consumidos pelas CC ainda é
difícil.
• Por ex., no caso do H2 para propulsão automóvel, surgiriam dois
problemas: (i) inexistência de postos de abastecimento de H2
disseminados pelo país e (ii) sistema de armazenamento de H2,
dentro do automóvel, muito pesado, volumoso e perigoso.

9. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Relações potência/volume e potência/peso.
As CC para automóvel e
as CC portáteis têm
razoável relação
potência/peso, mas fraca
relação potência/volume,
em relação ao tradicional
MCI para automóvel.

10. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Principais tipos de células de combustível.

11. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Outros tipos de células de combustível.
Spiegel (2007) refere mais quatro tipos de células de combustível, a
saber:
- CC para metanol directo (DMFC);
- CC zinco ar (ZAFC);
- CC de cerâmica protónica (PCFC);
- CC biológicas (BFC).
Nota: As BFC convertem directamente energia bioquímica em electricidade. Usam
combustíveis como glucose ou metanol, e usam microrganismos ou enzimas como
catalisadores das reacções nos eléctrodos, em vez de metais preciosos.

12. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Funcionamento de células de combustível (I).
1- As CC têm dois eléctrodos (ânodo e cátodo) separados por
electrólito.
2- Nas CC os electrões são produzidos no ânodo através de reacção
electroquímica de oxidação.
3- Estes electrões passam por consumidor de electricidade.
4-Os electrões são consumidos por reacção electroquímica de redução
no cátodo.
Nota: oxidação produz electrões; redução consome electrões.

13. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Funcionamento de células de combustível (II).
O funcionamento de qualquer CC depende essencialmente de quatro
processos físico-químicos, a saber:
(i) alimentação da CC por reagentes,
(ii) reacções electroquímicas nos eléctrodos,
(iii) condução de electrões pelo consumidor de potência e de protões
pelo electrólito e
(iv) remoção dos produtos da reacção da CC.

14. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Funcionamento de células de combustível (III).
1- Corrente eléctrica produzida pelas CC é proporcional à área de
contacto dos reagentes com os eléctrodos.
2- Para aumentar essa área as CC são planas e delgadas e os seus
eléctrodos são porosos.
3- Os reagentes devem ser bem espalhados pela superfície dos
eléctrodos. Para isso, em contacto com cada eléctrodo é montada uma
placa em cuja face voltada para o eléctrodo estão entalhados
numerosos canais estreitos por onde escoa o reagente adequado para
esse eléctrodo.

15. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Funcionamento de células de combustível (IV).
As reacções electroquímicas nos eléctrodos das CC devem ser tão
rápidas quanto possível.
Há essencialmente duas estratégias para aumentar a velocidade das
reacções electroquímicas nos eléctrodos das CC, a saber:
(i) melhorar o contacto dos reagentes com os eléctrodos (CC planas e
delgadas, eléctrodos porosos), e
(ii) impregnar os eléctrodos com catalisadores.

16. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Funcionamento de células de combustível (V).
A condução de electrões pelo consumidor de potência e de protões pelo
electrólito deve ser tão fácil quanto possível.
O electrólito deve ser impermeável aos electrões. Para altas potências isso
pode não acontecer. Daqui resultará perda de eficiência da CC.
A condução de electrões desde a CC até ao consumidor de potência é
facilitada com o abaixamento da resistência eléctrica dos fios que unem esses
dois dispositivos.
A condução protónica é facilitada com a diminuição da espessura do
electrólito.

17. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Funcionamento de células de combustível (VI).
Reacções para as principais CC
Tipo
Global
Ânodo
Cátodo
AFC
H2+1/2O2→H2O
H2+2OH-→2H2O+2e-
O2+2H2O+4e-→4OH-
PEMFC
H2+1/2O2→H2O
H2→2H++2e-
O2+4e-+4H+→2H2O
PAFC
H2+1/2O2+CO2→H2O+CO2
H2→2H++2e-
O2+4e-+4H+→2H2O
MCFC
H2+1/2O2+CO2→H2O+CO2
H2+CO2-3→H2O+CO2+2e-
O2+2CO2+4e-→2CO2-3
SOFC
H2+1/2O2→H2O
H2+O2→H2O+2e-
1/2O2+2e-→O2

18. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Funcionamento de células de combustível (VII).
Exemplo de CC: PEMFC.
• Reacção global
H2+1/2O2→H2O
• Reacção anódica
H2→2H++2e• Reacção catódica
O2+4e-+4H+→2H2O

19. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Desempenho das CC: curva teórica (I).
O valor da tensão máxima
teórica pode ser calculado por
conceitos básicos da
Termodinâmica.
Nota: densidade de corrente
baseada na área de contacto
entre eléctrodos e
reagentes.

20. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Desempenho das CC: curva real (II).
Curva a traço contínuo.
Perdas por activação
(baixas intensidades)
Perdas ohmicas
(gama de operação da CC)
Perdas por concentração
(altas intensidades)
Nota: densidade de corrente
baseada na área de contacto
entre eléctrodos e
reagentes.

21. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Desempenho das CC: perdas por activação (III).
– As perdas por activação têm a ver com a energia gasta para iniciar
as reacções electroquímicas nos eléctrodos das CC.
– Estas perdas baixam quando sobe a temperatura de funcionamento
das CC e quando se impregnam os eléctrodos das CC com
materiais catalisadores das reacções electroquímicas.
– Para CC que consomem hidrogénio, as perdas por activação no
cátodo superam largamente as mesmas perdas no ânodo, Larminie
et Dicks (2003).

22. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Desempenho das CC: perdas ohmicas (IV).
– As perdas ohmicas têm a ver, por um lado, com a resistência à
passagem de electrões pelos eléctrodos, ligadores e cabos até ao
consumidor de potência e, por outro lado, com a resistência à
passagem de protões pelo electrólito.
– Há duas maneiras de reduzir estas perdas, a saber:
(i) usar eléctrodos, ligadores e cabos com a maior condutibilidade
eléctrica possível, e
(ii) usar electrólitos com a menor espessura possível. Quanto menor
for a espessura do electrólito mais fácil é a viagem dos protões
desde o eléctrodo onde são formados até ao eléctrodo onde são
consumidos.
– Contudo, o electrólito não deve ser tão delgado que permita curtocircuito entre os eléctrodos.

23. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Desempenho das CC: perdas concentração (V).
– As perdas por concentração derivam do facto de, à medida que os
reagentes são consumidos junto dos eléctrodos as suas
concentrações descerem.
– A decida de concentrações de reagentes junto dos eléctrodos
causa perda de potência na célula de combustível.

24. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Desempenho das CC: intensidade (VI).
Numa CC a intensidade de corrente debitada relaciona-se com o gasto de
combustível através da estequiometria da reacção anódica.
Por exemplo, numa PEMFC produzem-se duas moles de electrões por cada
mole de H2 consumido. Cada mole de electrões é composta por 6,022×1023
electrões (número de Avogadro). O electrão tem carga eléctrica igual a
1,68×10-19 Coulomb. Por conseguinte, a intensidade produzida numa
PEMFC é dada por
i = 2×nH2×NAvogadro×qelectrão.

25. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Desempenho das CC: Motor de Carnot vs PEMFC.
Rendimento
(%)
90
80
70
60
50
40
Motor de Carnot
30
Célula de Com
bustível PEMFC
Polinóm (Motor de Carnot)
io
20
Polinóm (Célula de
io
Com
bustível PEMFC)
10
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Temperatura
(ºC)
1000 1100

26. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Aplicações das CC.

27. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Células de combustível e o ambiente.
Problema
Uma das soluções:
Sociedade do H2.

28. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Ensaio de PEMFC no ISEP em 2006/07.
Potência: 20 W;
20 células auto-humidificadas;
Membrana: Nafion 112;
Área activa: 10 cm2.

29. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Ensaio de PEMFC no ISEP em 2006/07, V vs. I.
20
18
V medido [V]
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
I medido [A]
Valores obtidos
Curva teórica
Curva Fabricante
3,0

30. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Ensaio de PEMFC no ISEP em 2006/07, W vs I.
35
30
Potência [W]
25
20
15
10
5
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
I medido [A]
Potência calculada
Potência fabricante
3,0

31. CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL
Ensaio de PEMFC no ISEP em 2006/07, Im vs Ic.
Observações:
4,0
• Reduzida área de reacção ⇒
intensidade ≤ 4 A.
•Diferença entre I calculado e I
medido indica a permeabilidade
da membrana ao fluxo de
electrões.
•Permeabilidade aumenta com o
aumento da carga sobre a pilha.
3,0
I medido[A]
• Valores medidos são inferiores
aos calculados porque houve H+
e e- que atravessaram a
membrana e portanto não foram
medidos.
3,5
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
I calculado [A]
3,0
3,5
4,0