Sumário Nesta última década assistiu

Sumário
Nesta última década assistiu-se a uma proliferação enorme de aparelhos electrónicos
portáteis, tais como: brinquedos, jogos, relógios, lanternas, ferramentas eléctricas, agendas
electrónicas, “walk-talks”, máquinas de barbear, câmaras fotográficas, câmaras de filmar,
telemóveis, computadores, aparelhos de som, equipamentos médicos etc.
Ao mesmo tempo, aumentou muito a procura por pilhas e baterias cada vez menores,
mais leves e de melhor desempenho para utilizar nos referidos aparelhos.
Com este trabalho, pretende-se estudar e entender um ramo da Química - a
electroquímica, como resultado da tendência das substâncias em receber ou doar electrões,
formando iões e culminando na criação de corrente eléctrica e dar a conhecer de forma
simples qual o funcionamento das pilhas e baterias.
De seguida, pretendemos abordar de forma mais exaustiva um estudo da pilha
electroquímica, da pilha de combustível e um estudo da viabilidade da reciclagem das pilhas
a nível ambiental.
Para finalizar, realizamos duas actividades experimentais de forma a estudar os
fenómenos envolvidos em cada uma das pilhas e verificar qual delas deveria ser utilizada no
nosso dia – a – dia.
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Capítulo I – Pilhas Electroquímicas: história e funcionamento
A tendência que as substâncias têm de perder ou doar electrões, visando o equilíbrio,
gera um tema de estudo na química, conhecido como Electroquímica. Reacções de oxidação
- redução tanto podem gerar corrente eléctrica, como serem iniciadas por uma corrente
eléctrica. Esta última recebe o nome especial de electrólise, e a primeira é responsável pelos
dispositivos conhecidos como pilhas, baterias e acumuladores.
Pilha galvânica ou pilha voltaica é um dispositivo que utiliza reacções de oxidação redução para converter energia química em energia eléctrica. A reacção química utilizada
será sempre espontânea. Neste dispositivo, há dois eléctrodos que são constituídos,
geralmente, por metais diferentes. Estes eléctrodos são postos em dois compartimentos
separados, imersos num meio contendo iões em concentrações conhecidas e separados por
uma placa. Os dois eléctrodos são ligados a um circuito eléctrico, localizado fora da célula,
denominado circuito externo, garantindo o fluxo de electrões entre os eléctrodos. As pilhas
não devem ser confundidas com as baterias. Enquanto a primeira apenas converte energia
química a eléctrica, a segunda faz a interconversão entre energia química e eléctrica. É
importante saber que na pilha, os electrões fluem do ânodo para o cátodo, sendo que o
sentido da corrente eléctrica, frequentemente utilizado na Física, se dá do cátodo para o
ânodo.
Foi no século XVII que Otto Von Guericke inventou a primeira máquina para
produzir electricidade. Luigi Aloisio Galvani na segunda metade do século XVIII começou a
pesquisar a aplicação terapêutica da electricidade e os seus trabalhos influenciaram
Alessandro Volta, que após muitas pesquisas desenvolveu um dispositivo que pode ser
formado por prata e zinco; prata e chumbo; prata e estanho; cobre e estanho; ou ainda por
prata e cobre. Cada par metálico era separado por um disco de material poroso embebido
numa solução de sal (o disco inferior era sempre de prata e o superior de zinco) e essas
placas terminais eram ligadas por fios metálicos para conduzir a electricidade produzida.
Davy em 1812 produziu um arco voltaico usando eléctrodos de carvão ligados a uma bateria
de vários elementos.
As pilhas eléctricas foram idealizadas por Alessandro Volta em 1800. A chamada
pilha de Volta consta de uma sobreposição de discos de cobre e zinco, soldados dois a dois e
dispostos na mesma ordem, ficando cada par separado do outro por uma rodela de pano ou
de cartão embebida em água acidulada. Volta notou uma diferença de potencial que dava
origem a fenómenos electroquímicos, entre as placas da base e as do alto. Este foi o ponto de
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partida para a construção das pilhas eléctricas. A pilha é, então, um gerador químico, e, entre
os vários tipos de pilhas, destacam-se as pilhas secas e húmidas.
Em 1836, John Frederic Daniell criou um tipo de pilha usando zinco e cobre
metálicos e soluções de sulfato de cobre e de zinco. Esta pilha foi rapidamente incorporada
pelos Ingleses e Americanos em seus sistemas telegráficos. A Pilha de Daniell, como é
conhecida, é um experimento clássico e fácil de se realizar, e que ilustra com propriedade os
fenómenos eléctricos de uma reacção de oxidação-redução com formação de iões.
A pilha de Daniell, figura 1, é construída usando-se um eléctrodo de zinco metálico, que é
colocado em uma solução de sulfato de zinco, e um eléctrodo de cobre metálico, que é
colocado em uma solução de sulfato de cobre. As duas soluções são postas em contacto
através de uma superfície porosa, de modo a não se misturarem, mas permitindo que os iões
possam atravessá-la (figura 2). Em alternativa à superfície porosa, pode-se usar uma ponte
salina, um tubo contendo no seu interior um material poroso embebido numa solução salina,
tipo NaCl, interligando as soluções de sulfato de cobre e de zinco (figura 3).
Figura 1: Foto de Pilha de Daniell.
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ZnCu+
H2O + ZnSO4
H2O + CuSO4
Figura 2: Pilha de Daniell, versão vaso poroso.
NaCl + H2O
Cu
+
Zn-
Figura 3: Pilha de Daniell,
versão ponte salina.
H2O + CuSO4
H2O + ZnSO4
Os dois eléctrodos são ligados através de fios a um voltímetro ou outro equipamento,
que medirá a diferença de potencial gerada pela pilha. A reacção envolvida nesta pilha pode
ser ilustrada pelas seguintes equações:
Zn + CuSO4  ZnSO4 + Cu
Zn  Zn2+ + 2eZn + Cu2+  Zn2+ + Cu
(1)
e
Cu2+ + 2e-  Cu
(2)
(3)
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A equação (1) representa a reacção global do que está a ocorrer nas soluções e
metais. O zinco metálico reage com o sulfato de cobre, produzindo sulfato de zinco e cobre
metálico.
A equação (2) mostra que isso decorre da oxidação do zinco, que perde 2 electrões e
transforma-se num ião. Estes electrões são transferidos pelo fio condutor até ao eléctrodo de
cobre, que está apto a receber estes electrões. Iões livres Cu2+ na solução são, então, atraídos
para o eléctrodo de cobre. Estes iões são reduzidos, transformando-se em Cu e depositandose sobre a superfície do eléctrodo. Os iões positivos Zn2+ criados pelo eléctrodo de zinco
transferem-se para a solução de sulfato de zinco. Para cada átomo de cobre que se deposita
sobre o eléctrodo de cobre, um átomo de zinco passa para a solução, doando dois electrões
para o eléctrodo de zinco.
A equação (3) representa a dissolução de átomos de zinco para sua forma iónica, o
que corresponde ao depósito de iões de cobre na sua forma metálica.
Os electrões fornecidos pelos átomos de zinco passam pelo fio de interligação, fornecendo
corrente ao dispositivo a ele ligado. Se não houvesse contacto entre as duas soluções
(chamadas de electrólitos), através da ponte salina, com o tempo, iões Zn2+ vindos do
eléctrodo de zinco, provocavam um aumento da concentração de sulfato de zinco, enquanto
que paralelamente haverá redução de concentração na solução de sulfato de cobre, por perda
de iões Cu2+. Isso provocará diminuição gradual da corrente eléctrica, até que a reacção
cesse e pilha é considerada esgotada. Os iões Zn2+ acabarão por finalmente alcançar o
eléctrodo de cobre, envolvendo-o e bloqueando qualquer movimento de iões Cu2+,
polarizando este eléctrodo. Assim, a ponte salina irá estabelecer um equilíbrio de cargas nas
soluções aquosas, pois no electrólito onde fique um excesso de iões positivos deslocar-se-ão
da ponte salina os iões negativos e no electrólito onde existe uma deficiência de iões
positivos deslocar-se-ão os iões positivos presentes na ponte salina.
Em suma, a pilha ou célula eletroquímica é um dispositivo que transforma energia
química em energia eléctrica. Uma reacção de oxidação-redução é estabelecida, estando o
oxidante e redutor separados em compartimentos diferentes, de modo que o redutor seja
obrigado a ceder seus electrões através de um fio ou circuito externo.
Uma bateria como a usada em motos e automóveis é constituída
de um conjunto de pares de placas de materiais diferentes,
imersos numa solução de ácido sulfúrico (H2SO4), ligadas em
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série, intercalando placas positivas (eléctrodos positivos) e placas negativas (eléctrodos
negativos).
O ácido sulfúrico diluído na água está dissociado em iões hidrogénio (H+) e iões sulfato
(SO4 2-). Esses iões reagem com os dois eléctrodos e provocam o aparecimento de excesso
de electrões em um deles e falta no outro. O eléctrodo negativo é constituído de chumbo e
de uma camada externa de sulfato de chumbo mais electrões. O eléctrodo positivo é formado
de peróxido de chumbo e de uma camada externa de iões positivos de chumbo.
Assim, quer a bateria quer a pilha são fontes de corrente contínua.
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Capitulo 2 - Reciclagem
Com a era dos equipamentos electrónicos surgiu um novo problema: o que fazer com
pilhas e baterias usadas? Dado que algumas das pilhas e baterias disponíveis no mercado
usam materiais tóxicos, muitos países, inclusive Portugal, têm - se preocupado com os riscos
à saúde humana e ao meio ambiente que estes sistemas electroquímicos apresentam.
Muitas das pilhas e baterias que utilizamos contêm metais pesados e produtos
químicos que, se libertam na natureza, contaminam o solo e o lençol freático. Além disso,
fazem um mal tremendo à saúde, causando desde enfraquecimento ósseo, perda de olfato,
visão e audição até danos no cérebro, rins e pulmões.
Devido a pressões políticas e novas legislações ambientais, que regulamentaram a
destinação de pilhas e baterias em diversos países, alguns processos foram desenvolvidos
visando a reciclagem desses produtos.
Para promover a reciclagem de pilhas e baterias é necessário, inicialmente, o
conhecimento de sua composição. Infelizmente, não há uma correlação entre o tamanho ou
formato das pilhas e baterias e a sua composição. Em diferentes laboratórios têm sido
realizadas pesquisas para desenvolver novos processos de reciclagem de pilhas e baterias
usadas ou, em alguns casos, tratá-las para uma disposição segura.
Uma maneira de reduzir o impacto ambiental do uso de pilhas e baterias é a
substituição de produtos antigos por novos que propiciem um maior tempo de uso, como por
exemplo o uso de pilhas alcalinas ou de baterias recarregáveis no lugar de pilhas comuns.
Também pode-se eliminar ou diminuir a quantidade de metais pesados na constituição das
pilhas e baterias.
Vantagens
A reciclagem tem essencialmente duas vantagens:
- A primeira tem que ver com o facto de só se poder reciclar aquilo que é recolhido
selectivamente. Logo, ao incentivar-se a recolha selectiva estamos a diminuir
significativamente o risco de deposição descontrolada das pilhas e acumuladores usados, e
a prevenir a possível poluição que daí pode advir.
- A segunda vantagem é a da sustentabilidade. Reciclar significa recapturar materiais (no
caso das pilhas, Manganês, Zinco, Aço e Carbono), que voltam a ser usados em processos
produtivos, sem que seja necessário retirá-los da natureza (diminuindo por exemplo a
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necessidade de recorrer à exploração mineira para a obtenção dos mesmos). Na prática,
reciclar significa não gastar tão depressa as reservas daquilo que é para nós precioso.
Processos de Reciclagem
Os processos de reciclagem de pilhas e baterias podem seguir três linhas distintas: a baseada
em operações de tratamento de minérios, a hidrometalúrgica ou a pirometalúrgica. Algumas
vezes estes processos são específicos para reciclagem de pilhas, outras vezes as pilhas são
recicladas juntamente com outros tipos de materiais.
As baterias de Ni-Cd muitas vezes são recuperadas separadamente das outras devido a dois
factores importantes, um é a presença do cádmio, que promove algumas dificuldades na
recuperação do mercúrio e do zinco por destilação; o outro é dificuldade de se separar o
ferro e o níquel.
Assim como no caso geral de pilhas e baterias, existem dois métodos estudados para a
reciclagem desse tipo de bateria, um seguindo a rota pirometalúrgica e outro seguindo a rota
hidrometalúrgica. Até o momento não foi possível o desenvolvimento de um processo
economicamente viável utilizando a rota hidrometalúrgica. Assim, os processos de
reciclagem actualmente empregados são baseados na rota pirometalúrgica de destilação do
cádmio.
Impactos Ambientais e à Saúde Humana
As pilhas e baterias são as prejudiciais ao meio ambiente e à saúde dos seres humanos. A
necessidade de devolvê-las aos fabricantes para um destino adequado é essencial.
Vejamos alguns dos principais problemas de cada um desses materiais:
Chumbo - é prejudicial ao cérebro e ao sistema nervoso, pode afectar o sistema circulatório,
rins, sistema digestivo e reprodutor, eleva a pressão arterial, agente cancerígeno acarretando
mutação genética. É altamente tóxico.
Cádmio - é um agente cancerígeno, provoca mutações genéticas nas células alterando sua
função e pode causar danos ao sistema reprodutivo.
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Cromo - causa dermatites, úlceras cutâneas, inflamação nasal, câncer de pulmão e
perfuração do septo nasal.
Mercúrio - pode provocar efeitos prejudiciais na pele e mucosas, náuseas violentas, vómito,
dor abdominal, diarreia com sangue, danos aos rins e até morte. Em outros casos, a
intoxicação pode ser crónica com sintomas como tremores, vertigens, irritabilidade e
depressão, associados à salivação, estomatite e diarreia, falta de coordenação motora, perda
de visão e audição e deterioração de células nervosas.
Zinco – Em grandes quantidades, há sintomas como sensações como paladar adocicado e
secura na garganta, tosse, fraqueza, dor generalizada, arrepios, febre, náusea e vómitos.
Níquel – apesar de um elemento importante para o desenvolvimento humano, mas em doses
elevadas pode causar irritação gastrointestinal, náuseas, vómitos, diminuição de apite,
vertigens, dor de cabeça, palpitação e asma.
Dos constituintes das pilhas aqueles que apresentam maiores problemas para o ambiente,
principalmente pelo seu elevado tempo de permanência, são os metais pesados, ou seja, os
elementos com elevados números atómicos que formam sulfuretos insolúveis, ou, mais
claramente, que se combinam facilmente com doadores de electrões tais como o enxofre ou
o sódio.
Quando as pilhas são expulsas no solo e ao longo do tempo se vão deteriorando, os seus
componentes espalham-se e infiltram-se provocando a contaminação dos solos e podendo
mesmo atingir os lençóis freáticos. O tempo de permanência dos metais pesados no solo é
elevadíssimo, dando-se ao longo de muitos anos a incorporação na cadeia alimentar com
consequências, por exemplo, ao nível da toxicidade dos metais. Particularmente, no processo
de compostagem, a presença das pilhas reduz significativamente a qualidade do adubo
orgânico, podendo inclusivamente inviabilizar a sua utilização para a agricultura devido ao
excesso dos metais pesados.
Aquando da deposição na água, dá-se a absorção dos metais pelos sedimentos de matéria
orgânica e da argila presentes na água. Este meio torna-se então equivalente ao solo em
termos de tempo de permanência. Os metais decompõem-se em tóxicos bioacumulativos
com incorporação na cadeia alimentar (moluscos, peixes,…).
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O Papel de cada um de nós
O cidadão desempenha um papel fulcral no sucesso de todo sistema ao depositar as suas
pilhas e acumuladores usados, nos canais disponíveis de recolha selectiva, que são:

Os Pilhões colocados pelas Autarquias, nos seus Ecopontos e Ecocentros

Nos Pilhões disponíveis nos Hiper e Supermercados, Retalhistas e outras Entidades
(Ecoparceiros).
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Capitulo 3 - Pilha de combustível
3.1. Definição/constituição e funcionamento duma célula de combustível
Uma célula de combustível pode ser definida como um dispositivo electroquímico
que transforma continuamente a energia química em energia eléctrica (e algum calor) desde
que lhe seja fornecido o combustível e o oxidante, através dum processo que envolve
essencialmente um sistema eléctrodo/electrólito. O combustível é o hidrogénio ou um
composto que o tenha na sua constituição e o oxidante é o oxigénio.
O hidrogénio utilizado no processo pode ser obtido de várias fontes: electrólise da
água, gás natural, propano, metanol, ou outros derivados do petróleo como qualquer
hidrocarboneto. Relativamente ao oxigénio é retirado do ar, podendo também ser obtido a
partir da electrólise da água.
Uma célula de combustível pode converter mais do que 90% da energia em energia
eléctrica e calor.
Como funcionam?
Todas as células de combustível são constituídas por dois eléctrodos, um positivo e
outro negativo, designados por, cátodo e ânodo, respectivamente. Para além disso, todas as
células têm um electrólito, que tem a função de transportar os iões criados no ânodo, ou no
cátodo, para o eléctrodo contrário, e um catalisador, que acelera as reacções nos eléctrodos.
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Como exemplo, utilizando o hidrogénio como combustível e o oxigénio como
oxidante, as reacções no ânodo e cátodo na célula de combustível são as seguintes,
respectivamente:
Ânodo: H2(g)  2 H+(aq) + 2 eCátodo: 1/2 O2(g) + 2 H+(aq) + 2 e-  H2O(g)
O hidrogénio (combustível) é alimentado no ânodo da célula de combustível, onde é
oxidado no catalisador de platina, havendo a produção de dois electrões e dois protões
hidrogénio, H+. De seguida, os electrões produzidos pela reacção de oxidação do hidrogénio
são transportados através de um circuito eléctrico e utilizados para produzirem trabalho. Por
sua vez, os protões produzidos na reacção anódica são transportados do ânodo para o cátodo,
através do electrólito. No cátodo, o oxigénio é alimentado e reage com os protões
transportados através do electrólito e com os electrões provenientes do circuito eléctrico. O
produto final da reacção que ocorre no cátodo é o vapor de água.
Noutro tipo de células de combustível, o oxigénio é reduzido pelos electrões do
circuito eléctrico no cátodo e, de seguida, o seu ião transfere-se através do electrólito para o
ânodo, onde se combina com os iões hidrogénio.
A selecção do electrólito é de extrema importância, visto que este deve permitir
somente a transferência de iões do ânodo para o cátodo, ou vice-versa. Se os electrões ou
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outras substâncias se transferirem através do electrólito do ânodo para o cátodo, ou viceversa, o desempenho global da célula de combustível fica seriamente afectado. Por sua vez,
de maneira a obter-se um funcionamento o mais eficiente possível de uma célula de
combustível, os eléctrodos devem ter elevadas áreas de contacto e o electrólito deve ter uma
espessura reduzida.
Na prática, cada uma das células
de
combustível
pode
produzir
uma
diferença de potencial inferior ou igual a
1 V. Isto significa que para se obterem
níveis úteis de potência eléctrica têm de
se
associar
diversas
células
de
combustível em série (pilha). Deste modo,
um sistema de células de combustível
apresenta a vantagem de ser modular e,
por isso, tem a possibilidade de ser
construído para uma ampla gama de
potências eléctricas, podendo ir dos mWatts até aos Mwatts.
As células de combustível são interligadas entre si por pratos bipolares. Estes pratos
devem ser bons condutores de electricidade, e ter canais ao longo da sua superfície, de
maneira a possibilitar o escoamento do combustível no ânodo e do ar ou oxigénio no cátodo.
Ao mesmo tempo, estes devem permitir um bom contacto eléctrico com os eléctrodos, ser o
menos espesso possível e de fabrico barato. Um requisito adicional é o de evitar as fugas de
reagentes.
O desenho e o fabrico das conexões entre as células de combustível é de extrema
importância para o sistema, e contribui em grande parte para o custo da pilha.
3.2. Tipos de células de combustível
De maneira a responder aos diversos desafios técnicos, os investigadores
desenvolveram diferentes tipos de células de combustível.
Os diferentes tipos de células de combustível são os seguintes:
o
Células de combustível com membrana de permuta protónica (CCMPP).
o
Células de combustível alcalinas (CCA).
o
Células de combustível ácido fosfóricas (CCAF).
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o
Células de combustível de carbonato fundido (CCCF).
o
Células de combustível de óxido sólido (CCOS).
3.2.1. Células de combustível com membrana de permuta protónica (CCMPP)
Vantagens:
 Funcionamento simples;
 O único líquido na célula é a água pelo que os problemas de corrosão são mínimos.
 Podem funcionar com combustíveis alternativos (desde que estes sejam previamente
convertidos em hidrogénio, como por exemplo, metanol, etanol, metano, propano, etc.)
 O uso de catalisadores e eléctrodos sofisticados aumenta a velocidade das reacções.
Desvantagens:
 Funciona para temperaturas inferiores a 100º C.
 As velocidades de reacção são reduzidas.
O electrólito nesta célula é uma membrana de permuta iónica (polímero ácido
sulfónico fluorizado ou outro polímero similar) que é boa condutora de protões do ânodo
para o cátodo. O combustível utilizado é o hidrogénio com elevado grau de pureza.
A presença da água líquida na célula é de extrema importância porque a membrana
de permuta protónica deve ser hidratada durante o funcionamento da célula de combustível.
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O catalisador utilizado é a platina, e não são precisas grandes quantidades sendo o custo da
platina pouco significativo no preço total da CCMPP.
Reacções CCMPP
Reacções CCDM
Ânodo: H2(g)  2 H (aq) + 2 e
+
Ânodo: CH3OH(aq) + H2O(l)  CO2(g) + 6 e- +
-
Cátodo: 1/2 O2(g) + 2 H (aq) + 2 e  H2O(l)
+
6 H+(aq)
-
Cátodo: 6 H+(aq) + 6 e- + 3/2 O2(g)  3 H2O(l)
3.2.2. Células de combustível alcalinas (CCA)
O electrólito usado é uma solução concentrada de KOH para temperaturas elevadas
(≈250 ºC) e menos concentrada para temperaturas inferiores (< 120 ºC).
Vantagens:
 Funciona num grande intervalo de temperaturas.
 O uso de eléctrodos porosos, como a platina, com a utilização de pressões elevadas
supera o problema das reacções lentas.
 Possibilidade da utilização de metais não nobres.
 O electrólito apresenta custos reduzidos.
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Desvantagens:
 Os electrólitos alcalinos (como NaOH e KOH) dissolvem o CO2 e diminuem a
circulação do electrólito na célula, tornando o funcionamento desta mais complexo
Reacções CCA
Ânodo: H2(g) + 2 OH-(aq)  2 H2O(l) + 2 eCátodo: 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e-  2 OH-(aq)
3.2.3. Células de combustível ácido fosfóricas (CCAF)
Vantagens:

Simplicidade de funcionamento.
 Disponibilizam um sistema de produção de energia eléctrica seguro e que envolve
baixos custos de manutenção.
 Longa durabilidade.

O ácido fosfórico é mais estável, comparado com outros ácidos.

Pode produzir energia eléctrica a temperaturas elevadas (220 ºC).
 A utilização do ácido fosfórico, sendo concentrado, minimiza a pressão de vapor da
água, facilitando a gestão da água na célula.
Desvantagens:
 Funciona num reduzido intervalo de temperaturas (para temperaturas baixas, o ácido
fosfórico é um mau condutor iónico e aumenta a toxicidade da platina).
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
Apesar do problema do armazenamento de hidrogénio poder ser resolvido pela
transformação de metano em hidrogénio e dióxido de carbono, o equipamento necessário
para o realizar tem um custo elevado, é mais complexo, e de maior tamanho.
As células de combustível de ácido fosfóricas (CCAF) foram as primeiras a ser
produzidas comercialmente e apresentam uma grande aplicação a nível mundial.
Neste tipo de células de combustível, o electrólito utilizado é o ácido fosfórico a
≈100. O suporte utilizado universalmente para o ácido é o carboneto de silicone e o
electrocatalisador utilizado no ânodo e cátodo é a platina.
Reacções CCAF
Ânodo: H2(g)  2 H+(aq) + 2 eCátodo: 1/2 O2(g) + 2 H+(aq) + 2 e-  H2O(l)
3.2.4. Células de combustível de carbonato fundido (CCCF)
A célula de combustível de carbonato fundido (CCCF) utiliza como electrólito uma
combinação de carbonatos alcalinos (Na, K, Li).
Este tipo de células de combustível funciona a temperaturas entre 600 e 700 ºC, para
as quais os carbonatos alcalinos formam um sal bom condutor de iões (ião carbonato). Para
temperaturas elevadas pode-se utilizar o níquel como catalisador no ânodo e óxido de níquel
no cátodo, não sendo necessária a utilização de metais nobres. Devido às temperaturas
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elevadas de operação, neste tipo de sistema pode utilizar-se directamente gás natural, no
entanto, esta simplicidade é contraposta pela natureza do electrólito, uma mistura quente e
corrosiva de lítio, potássio e carbonatos de sódio.
Reacções CCCF
Ânodo: H2(g) + CO32-  H2O(g) + CO2(g) + 2 eCátodo: 1/2 O2(g) + CO2(g) + 2 e-  CO32-
3.2.5. Células de combustível de óxido sólido (CCOS)
Vantagens:
 Funcionam a temperaturas elevadas, o que proporciona grandes velocidades de
reacção sem a utilização de catalisadores nobres.
 O metano pode ser utilizado directamente, não sendo necessário sofrer nenhuma
transformação.
Desvantagens:
 Os materiais cerâmicos que constituem estas células trazem dificuldades adicionais
na sua utilização, envolvendo custos de fabrico elevados e sendo necessários muitos
equipamentos extra para que a célula produza energia eléctrica.
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O electrólito utilizado neste tipo de célula é um metal óxido, sólido e não poroso,
usualmente X2O3. Apesar de funcionar a temperaturas superiores a 1000 ºC, o electrólito da
CCOS mantém-se permanentemente no estado sólido. Tipicamente o ânodo é Co-ZrO2 ou
Ni-ZrO2 e o cátodo é Sr-LaMnO3.
Reacções CCOS
Ânodo: H2(g) + O2-  H2O(l) + 2 eCátodo: 1/2 O2(g) + 2 e-  O2-
3.3. Vantagens e desvantagens?
As vantagens das células de combustível são:
o
Podem converter mais do que 90% da energia contida num combustível em energia
eléctrica e calor.
o
As centrais de produção de energia através de células de combustível podem ser
implementadas junto dos pontos de fornecimento, permitindo a redução dos custos de
transporte e de perdas energéticas nas redes de distribuição.
o
Além de produzirem electricidade, produzem igualmente vapor de água quente.
o
Devido ao facto de não possuírem partes móveis, apresentam maiores níveis de
confiança comparativamente com os motores de combustão interna e turbinas de combustão.
o
A
substituição
das
centrais
termoeléctricas
convencionais
que
produzem
electricidade a partir de combustíveis fósseis por células de combustível melhorará a
qualidade do ar e reduzirá o consumo de água e a descarga de água residual.
o
As centrais eléctricas de células de combustível são muito menos poluentes do que o
limite permitido pelas normas ambientais mais restritas. Para além disso, as células de
combustível produzem um nível muito inferior de dióxido de carbono.
o
Produzem muito menos ruído do que os sistemas convencionais de energia.
o
Podem ser desenvolvidas para funcionarem a partir de gás natural, gasolina ou outros
combustíveis fáceis de obter e transportar (disponíveis a baixo custo).
o
Apresentam um elevado potencial de desenvolvimento.
As desvantagens são:
o
Ser necessário utilizar metais nobres como, por exemplo, a platina que é um dos
metais mais caros e raros.
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o
O elevado custo actual em comparação com as fontes de energia convencionais.
o
A elevada pureza que a corrente de alimentação de hidrogénio deve ter para não
contaminar o catalisador.
o
Os problemas e os custos associados ao transporte e distribuição de novos
combustíveis como, por exemplo, o hidrogénio.
3.4. Aplicações
As aplicações mais importantes para as células de combustível são as centrais de
produção de electricidade estacionárias e de distribuição, veículos eléctricos motorizados e
equipamentos eléctricos portáteis.
I. Centrais eléctricas estacionária
Uma das características das
células de combustível é o facto do
tamanho
exercer
praticamente
nenhuma
influência
sobre
a
eficiência. Isto significa que podem
ser
desenvolvidas
centrais
de
produção eléctrica pequenas, com
elevadas
custos
eficiências,
excessivos
evitando os
envolvidos
no
desenvolvimento da centrais eléctricas convencionais.
Como resultado deste facto, inicialmente, as centrais eléctricas com células de
combustível foram desenvolvidas para produzirem potências na gama dos kW até aos MW.
Assim que estas unidades sejam comercializadas e a diminuição dos preços seja
alcançada, as células de combustível podem passar a ser utilizadas em centrais estacionárias
de produção de electricidade devido à sua elevada eficiência.
Um exemplo prático pode ser uma central eléctrica a células de combustível
produzida pela empresa UTC (ver figura). Esta central está instalada numa cervejeira
japonesa e produz energia eléctrica a partir de gases residuais do processo de fermentação. A
potência máxima que produz é de 200 kW.
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II. Centrais eléctricas de distribuição
As centrais eléctricas de distribuição com células de combustível são sistemas
pequenos e modulares que apresentam a possibilidade de serem implementadas nas
proximidades do ponto de utilização. O sistema típico produz uma potência eléctrica inferior
a 30 MW, envolvendo emissões de poluentes consideradas desprezáveis, comparativamente
com os sistemas tradicionais de combustão.
Sendo uma tecnologia recente, nos momentos iniciais de desenvolvimento esta
envolvia custos elevados. No entanto, na
actualidade os custos envolvidos são cada vez
menores devido ao crescente aumento da
capacidade de produção. Aliás, para este tipo de
sistemas, os custos são praticamente insensíveis
em relação ao tamanho. Isto torna-os ideais para
uma grande diversidade de aplicações onde
podem ser utilizados para terem conformidade
com as necessidades do consumidor.
Os sistemas de células de combustível apresentam também a vantagem de emitirem
baixos níveis de ruído. Esta qualidade possibilita a sua colocação junto dos pontos de
consumo de energia eléctrica. Estes sistema apresentam igualmente eficiências superiores
comparativamente com outros sistemas convencionais. A eficiência pode ainda ser
aumentada com a utilização de um sistema de aproveitamento do calor libertado pela água
residual produzida. Desta forma, pode utilizar-se um sistema combinado de produção de
calor e de potência eléctrica.
A primeira geração de células de combustível de ácido fosfórico já foram
comercializadas com um sucesso relativo. No presente estão a realizar-se diversos esforços
de investigação para desenvolverem-se novos materiais cerâmicos e melhorar diferentes
técnicas de fabrico de maneira a reduzir os custos de produção.
Na actualidade, a empresa H Power comercializa a unidade estacionária RCU 1-10
kW AC (ver figura). Este sistema de produção de energia eléctrica utiliza células de
combustível com membrana de permuta protónica (CCMPP). Os combustíveis utilizados
podem ser o gás natural e o propano. Esta unidade é capaz de produzir uma potência
eléctrica na gama dos 3 a 10 kW. A unidade dispõe de um modulo adicional de recuperação
de calor de maneira a produzir água quente para sistemas de aquecimento central.
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III. Veículos eléctricos motorizados
Nos últimos anos da década de 1980 passou a existir um interesse crescente no
desenvolvimento de células de combustível para utilização em veículos motorizados ligeiros
e pesados. O principal interesse deste desenvolvimento é a necessidade de meios de
transporte menos poluentes e eficientes. Um veículo motorizado que utilize o hidrogénio
como combustível não emite qualquer poluente para a atmosfera. Com outros combustíveis,
o sistema de células de combustível utiliza um processador para converter esses mesmos
combustíveis em hidrogénio, possibilitando um poder de tracção eléctrico eficiente e com
uma emissão praticamente desprezável de gases
associados às chuvas ácidas e efeito de estufa.
Para
além
dos
aspectos
citados
anteriormente, os veículos que utilizam células de
combustível
apresentam
disponibilizarem
as
electricidade
vantagens
extra
de
para
componentes do automóvel e de envolverem
baixos custos de manutenção devido ao facto de
terem
poucas
partes
em
movimento.
A
investigação e o desenvolvimento da tecnologia
das células de combustível aplicada aos veículos motorizados é financiada pelo governos do
Norte da América, Europa e Japão, assim como, pelas principais construtoras mundiais de
automóveis.
Recentemente, a maior actividade no
desenvolvimento de células de combustível
para meios de transporte foi focada nas
células de combustível com membrana de
permuta protónica (CCMPP).
Em 1993, a empresa Ballard Power
Systems apresentou um autocarro com 10
metros de comprimento com um sistema de
120 kW, seguido de um sistema de 200 kW, com 12 metros, em 1995. Estes autocarros
utilizam o hidrogénio como combustível (veículos com emissões zero).
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Em colaboração com a Ballard, a Daimler-Chrysler construiu uma série de veículos
motorizados ligeiros que utilizam células de combustível do tipo CCMPP. Estes veículos
foram intitulados pela abreviatura NECAR (Non Emission Car).
A primeira geração destes veículos, NECAR 1 e 2, foi alimentada a hidrogénio. Por
sua vez, o NECAR 3 (modelo classe A) introduziu a utilização do metanol como fonte de
hidrogénio. De seguida, em 1999, com o NECAR 4 foi adoptado novamente o hidrogénio
como combustível directo das CCMPP. Mais recentemente, em Novembro de 2000, a
Daimler-Chrysler apresentou o modelo mais recente da família NECAR, o NECAR 5. Este
automóvel adoptou novamente o metanol líquido como fonte de hidrogénio. A velocidade
máxima deste veículo é de 150 km/h e apresenta uma autonomia de ≈480 km.
Comparativamente com o NECAR 3, o sistema de células de combustível da versão 5 é 50%
mais eficiente, tem metade do tamanho e pesa menos 300 kg.
IV. Equipamentos eléctricos portáteis
O tipo de células de combustível mais utilizadas em equipamentos portáteis são as
células de combustível alcalinas e com membrana de permuta protónica. Isto porque estes
tipos de células são aquelas que apresentam uma maior independência da performance em
relação ao tamanho. Os combustíveis com maior potencialidade de utilização são o metanol
e o etanol, devido à sua facilidade de armazenamento e de abastecimento.
Estas miniaturas de células de combustível,
quando disponíveis no mercado, irão possibilitar aos
consumidores a utilização de telemóveis durante um
mês sem a necessidade de recarga eléctrica. As células
de combustível irão revolucionar o mundo da energia
portátil, fornecendo energia durante períodos de tempo
muito mais alargados a computadores portáteis e
equipamentos electrónicos. Outras aplicações para
células de combustível em miniatura são as câmaras de
vídeo, agendas electrónicas, televisores portáteis, leitores de DVD e todos os outros
equipamentos portáteis que utilizam energia eléctrica.
Recentemente, o Instituto de Tecnologia Avançada da empresa Samsung
desenvolveu uma célula de combustível que pode ser utilizada num telemóvel. Esta trata-se
de uma célula de combustível com alimentação directa de metanol (CCDM) que produz uma
densidade de potência de 32 mW/cm2. O tamanho desta é igual ao de um cartão de crédito e
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a temperatura de funcionamento é de 20 ºC. A transferência de metanol através da MPP foi
reduzida em 30%, resultando num aumento da densidade de potência.
Que futuro?
O aumento da poluição, a não-renovação dos combustíveis fósseis e a ausência de
leis no sector de distribuição de energia são preocupações que estão, cada vez mais, a
alarmar a humanidade. Estas questões representam um motivo para a investigação e
desenvolvimento de novas fontes de energia amigas
do ambiente, altamente eficientes e com ciclos de
vida renováveis.
Independentemente
da
escolha
do
combustível, as células de combustível representam
uma alternativa eficiente para a conversão de
energia. Num pequeno período de tempo, um
grande número de organizações e empresas
assumiram o desafio de iniciar a comercialização de
células de combustível.
As células de combustível apresentam um
elevado potencial de desenvolvimento. Em contraste, as
tecnologias competidoras das células de combustível,
incluindo turbinas de gás e motores de combustão
interna,
já
atingiram
um
estado
avançado
de
desenvolvimento. Para este tipo de tecnologias são
esperadas no futuro algumas melhorias, envolvendo
obrigatoriamente
um
aumento
de
custos
e
de
temperaturas de funcionamento, e por consequência um
aumento das emissões poluentes.
No entanto, para as células de combustível ainda existem diversos problemas
importantes por resolver de maneira a lançar a tecnologia no comércio em larga escala. No
dia a dia surgem novos desenvolvimentos como, por exemplo, novas membranas de permuta
protónica, melhores catalisadores, melhores desenhos das células, etc. Actualmente, diversas
soluções possíveis para os problemas das células de combustível estão a ser investigadas e
desenvolvidas.
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Capitulo 4 – Actividades prático - laboratoriais
4.1. Construção de uma Pilha Electroquímica
Material
 Algodão.
 Tubo de borracha.
 Dois copos de vidro.
 Dois fios condutores com crocodilos.
 Voltímetro.
 Luvas de latex.
 Óculos.
Reagentes
 Água destilada.
 Placa de cobre.
 Placa de zinco.
 Sulfato de cobre.
 Sulfato de zinco.
 Cloreto de sódio.
Procedimento
1. Preparar uma solução aquosa de cloreto de sódio para a ponte salina.
2. Deitar a solução aquosa de cloreto de sódio no tubo de borracha e tapar as
extremidades com algodão. (o algodão deve ser colocado de maneira a impedir que a
solução de NaCl saia. No tubo não deve ser visível qualquer bolha de ar).
3. Encher 2/3 do volume total dos copos com água destilada.
4. Deitar uma colher de sulfato de cobre no primeiro copo e uma colher de sulfato de
zinco no segundo. Misturar bem as soluções.
5. Utilizando um fio condutor com crocodilos nas extremidades, unir o eléctrodo de
zinco ao fio preto do voltímetro.
6. Com o outro fio, unir o fio vermelho do voltímetro ao eléctrodo de cobre.
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7. Mergulhar cada uma das extremidades da ponte salina nas soluções de sulfato de
zinco e sulfato de cobre. (o sistema não funciona se a ponte salina não estiver bem
mergulhada).
8. O eléctrodo de zinco na solução de sulfato de zinco. (é necessário cuidado com o
manuseamento do sulfato de zinco porque este é nocivo).
9. Mergulhar o eléctrodo de cobre na solução de sulfato de cobre. (pode-se verificar
que o voltímetro passa a apresentar uma diferença de potencial próxima de 1,1 V).
O porquê?
Na pilha de Daniell, o eléctrodo de cobre (cátodo) atrai electrões do eléctrodo de
zinco (ânodo). Estes electrões passam através do circuito eléctrico em questão. Assim que o
eléctrodo de cobre recebe electrões, os iões Cu2+ presentes na solução de sulfato de cobre
aproximam-se do eléctrodo de maneira a igualar as cargas negativas. Quando os iões Cu2+
alcançam a superfície do cobre recebem dois electrões, depositando-se no eléctrodo sob a
forma de metal. Por sua vez, por cada ião de cobre depositado, um ião Zn2+ é libertado do
eléctrodo de zinco para a solução de sulfato de zinco.
Assim como acontece para qualquer pilha, a pilha de Daniell não dura para sempre.
Na realidade, a produção de corrente eléctrica diminui à medida que a concentração do
electrólito de zinco aumenta e a do electrólito de cobre diminui. No que diz respeito à ponte
salina, a função desta é permitir o transporte de cargas de uma solução para a outra. Visto
que no interior desta existe uma solução salina, à medida que se vão acumulando as cargas
positivas (Zn2+ no electrólito de sulfato de zinco), o Cl- da solução aquosa de NaCl
compensa o balanço de cargas. Assim, os gradientes de concentração (polarização) devidos
à presença de cargas não compensadas é minimizada pelo menos nos instantes iniciais.
A pilha de Daniell pode produzir potenciais eléctricos superiores quando se unem
diversas unidades independentes em série por intermédio de fios condutores.
4.1. Construção de uma Célula de Combustível
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Bibliografia:
http://www.ecopilhas.pt/portal/index.php?id=13
http://www.supercarloshp.hpg.com.br/pilha.htm
Leitura de Física – Electromagnetismo 4, capítulos 20 a 29,
FRENAY, J.& FERON, S., Domestic Battery Recycling in Western Europe, In: Second
International Symposium in Recycling of Metals and Engineered Materials, Ed, By
J,H,L,Van Linden, D,L,Stewart Jr,,Y,Sahai - The Minerals, Metals & Materials Society,
1990, 639-647
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