O diagrama a seguir representa uma célula combustível de

CÉLULA A COMBUSTÍVEL
O esgotamento dos combustíveis fósseis e a degradação do meio ambiente estão entre
os principais e cruciais problemas enfrentados pela sociedade moderna.
Estes problemas são relacionados porque uma das principais fontes de poluição
ambiental é o uso indiscriminado de combustíveis fósseis para produzir energia. Em particular,
o uso desses combustíveis em um número cada vez maior de veículos que transitam nos
grandes centros urbanos é uma das maiores preocupações atuais, visto o grande número de
poluentes produzidos.
A energia química armazenada nos combustíveis é liberada através da reação de
combustão. Neste processo o combustível reage com oxigênio produzindo água e dióxido de
carbono e liberando parte da energia potencial armazenada nas ligações químicas.
Infelizmente os combustíveis possuem impurezas, muitas delas compostos de enxofre, e
as altas temperaturas atingidas no processo de combustão permitem a reação do nitrogênio
presente no ar, o que contribui para a chuva ácida. Além disso nem sempre a quantidade de
oxigênio presente é suficiente para que ocorra a total queima do combustível, gerando
macropartículas de carbono, como a fuligem, que causam sérios problemas respiratórios.
Outro problema é a eficiência do aproveitamento da energia química contida no
combustível. A maior parte da energia liberada na combustão direta, como a que ocorre na
queima de combustível no motor dos automóveis ou nas usinas termoelétricas, está na forma
de calor. O movimento do carro ou do gerador é o resultado da expansão que este calor
provoca nos gases, dentro dos motores, ou do vapor de água na termoelétrica. Nos dois casos
apenas uma pequena parcela (aproximadamente 20%) da energia química pode ser
aproveitada como energia mecânica ou como energia elétrica. A maior parte da energia é
simplesmente liberada no meio ambiente na forma de calor, o que também é uma forma de
poluição.
Em resumo, os maiores problemas de produção de energia por meio de combustão são:

Combustível fóssil não é renovável;

O aproveitamento da energia é pequeno (baixa eficiência);

Poluição ambiental severa promovendo problemas sérios para a saúde e bens materiais.
Então, nas alternativas para produção de energia devemos considerar:

Eficiência.

Poluição ambiental (que é mais importante).
A célula a combustível é uma alternativa em que a combustão é realizada de maneira
controlada, aumentando a eficiência do aproveitamento da energia liberada e de modo menos
poluente. A idéia é aproveitar o deslocamento que os elétrons sofrem durante a combustão.
Dessa forma, uma pilha ou célula a combustível é uma célula eletroquímica que produz energia
elétrica continuamente utilizando um combustível e um oxidante. É chamada assim pois os
produtos da reação de oxirredução são os mesmos produtos de uma reação de combustão.
Uma das vantagens desse tipo de célula eletroquímica é que os reagentes podem ser repostos,
podendo funcionar por tempo indeterminado.
Em uma usina termoelétrica, que utiliza o calor liberado na queima de combustíveis, na
média, apenas 30% desse calor é realmente convertido em energia elétrica. Se essa reação
ocorrer através de uma célula de combustível, pode-se atingir rendimentos superiores a 80%.
Um tipo de célula a combustível de muito interesse atualmente é aquela alimentada a gás
hidrogênio e oxigênio, gerando água como único produto. As semi-reações envolvidas no
processo são:
Ânodo:
Cátodo:
equação global:
H2(g) → 2H+ + 2e½ O2(g) + 2H+ + 2e- → H2O(l)
H2(g) + ½ O2(g) → H2O(l)
Se outros combustíveis forem usados, outros produtos serão obtidos.
Porque célula a combustível é uma alternativa?


Possui elevada eficiência de conversão:
-
elétrica 50%,
-
com cogeração 80% (calor pode ser usado para aquecer água).
Geração no local, sem poluição química (porque produz somente água) e sem poluição
sonora.

Vida útil superior a 40.000 horas.

Custo ainda é elevado porque é uma tecnologia nova e não é produzido em grande escala.
Aplicações da célula a combustível:

Veículos espaciais: local onde as pessoas possuem pequeno espaço, necessitam de
energia elétrica e não podem ter poluição. A água produzida pela célula também é
utilizada para consumo dos tripulantes.

Agências de cartão de crédito: na falta de energia elétrica para os computadores
causaria grande prejuízo, portanto neste caso a célula a combustível é utilizada como
estratégia de segurança.

Em hospitais: energia elétrica é de extrema importância sendo que a falta desta causaria
sérios problemas. A água e calor produzidos pela célula podem ser utilizados em suas
lavanderias.

Em residências: como uma forma alternativa de produção de energia, independente de
meios de distribuição. O calor produzido também poderia ser utilizado no aquecimento
de água (chuveiro, cozinha e lavanderia).

Em veículos: que seriam movidos a motores elétricos, contribuindo de maneira
significativamente para a redução no consumo e na redução da poluição.
EXERCÍCIOS:
1. (Ufrj) Na busca por combustíveis mais "limpos", o hidrogênio tem-se mostrado uma
alternativa muito promissora, pois sua utilização não gera emissões poluentes. O esquema a
seguir mostra a utilização do hidrogênio em uma pilha eletroquímica, fornecendo energia
elétrica a um motor.
Com base no esquema:
a) Identifique o eletrodo positivo da pilha. Justifique sua resposta.
b) Usando as semi-reações, apresente a equação da pilha e calcule sua força eletromotriz.
2. (UFSC 2010) Uma célula combustível é um dispositivo eletroquímico constituído por dois
eletrodos, denominados de cátodo e ânodo, sendo capaz de gerar eletricidade a partir de um
combustível e de um comburente, segundo a reação global: H2(g) + O2(g) → H2O(l). Igualmente,
todas as células têm um eletrólito, onde ocorre o transporte dos íons produzidos, e uma fina
camada de catalisador normalmente de platina ou de níquel que recobre o eletrodo.
O diagrama a seguir representa uma célula combustível de hidrogênio.
Assinale a(s) proposição(ões) CORRETA(S).
1)
Em uma célula de combustível de hidrogênio, o hidrogênio sofre redução e o
oxigênio oxidação.
2)
No ânodo, polo positivo, ocorre redução do hidrogênio.
4)
O potencial gerado por uma célula combustível é negativo, assim podemos
considerar que ocorre uma reação espontânea.
8)
Para gerar uma maior ddp (diferença de potencial), seria necessário construir uma
bateria contendo células combustíveis arranjadas em série.
16)
Na célula combustível, os elétrons fluem do polo negativo para o polo positivo.
32)
O hidrogênio é o comburente e necessita estar armazenado; o oxigênio é o
combustível e vem do ar atmosférico.
3. (UFPB 2008)
É antigo o desejo de substituir a energia oriunda de combustíveis fósseis por uma outra fonte,
cuja forma de obtenção seja mais eficiente, mais barata e não cause danos ambientais. Uma
boa alternativa vem da célula combustível do tipo hidrogênio-oxigênio (figura abaixo), que gera
eletricidade através de um processo eletroquímico sem emissão de qualquer poluente, sem
barulho ou vibração.
Observação: repare que as semireações que ocorrem nessa pilha se processam em meio básico.
(Adaptada de: CHANG, Raymond, Chemistry 5ed. USA: Mcgraw-Hill, 1994, p. 787).
De acordo com as informações sobre essa célula, é correto afirmar:
A)
A oxidação de O2(g) ocorre no cátodo.
B)
A redução do H2(g) ocorre no ânodo.
C)
O potencial padrão da célula é igual a -0,43V.
D)
A reação eletroquímica da célula é espontânea nas condições padrões.
E)
A reação global do processo eletroquímico é 2H2(g) + O2(g) 2H2O(l) + 4e-.
4. (Unifesp) Numa célula de combustível, ao invés da combustão química usual, a reação ocorre
eletroquimicamente, o que permite a conversão, com maior eficiência, da energia química,
armazenada no combustível, diretamente para energia elétrica. Uma célula de combustível
promissora é a que emprega metanol e oxigênio do ar como reagentes, cujo diagrama
esquemático é fornecido a seguir.
onde:
mp = membrana de eletrólito polimérico, permeável a íons.
v1 e v2 = recipientes de grafite, contendo catalisador.
L = lâmpada ligada em circuito externo.
A reação global que ocorre no sistema é
2 CH3OH + 3O2 → 2CO2 + 4H2O
a) Sabendo que, além dos reagentes e produtos da reação global, estão envolvidos íons H+ no
processo, escreva as semi-reações que ocorrem em v1 e v2.
b) Identifique a natureza e o sentido do deslocamento dos condutores de cargas elétricas no
interior da célula de combustível, e no circuito elétrico externo que alimenta L.
Respostas:
1)
a) O eletrodo positivo rrrrrreeeeeecebe eletróns, pois é onde ocorre a rrrrreeeeeedução. Logo
é o eletrodo alimentado com oxigênio.
b) A força eletromotriz da semireação de redução do H+ é 0 V (eletrodo padrão). Assim:
ΔE = Emaior - Emenor = 1,23 V – 0 V = 1,23 V.
2) 24. Uiuiui...
3) d
4)
a) V1: CH3OH + H2O  CO2 + 6 H+ + 6 eV2: ½ O2 + 2 H+ + 2 e- H2O
b) Circuito externo: elétrons migram de V1 para V2
Circuito interno: íons H+ migram de V1 para V2
Resposta dos EXTRAS:
1) C2H5OH + 3 H2O  2 CO2 + 12 H+ + 12 e½ O2 + 2 H+ + 2 e- H2O
2) C3H8 + 6 H2O  3 CO2 + 20 H+ + 20 e½ O2 + 2 H+ + 2 e- H2O