Parte 1 - Pilha a combustível, a propulsão do futuro

Entenda o funcionamento dessa tecnologia pela qual se obtém eletricidade a partir de hidrogênio e oxigênio,sem emissões poluentes
Uma forma de propulsão que dispensa combustíveis fósseis, tem baixíssimo nível de ruído, não emite nenhum poluente — apenas vapor d’água — e não usa energia elétrica tem tudo para substituir o motor a combustão, talvez já na próxima década. Trata-se da pilha a combustível (fuel cell em inglês).

O sistema é um dispositivo de conversão de energia eletroquímica e, até certo ponto, funciona como uma pilha destas que usamos em brinquedos e eletrônicos. A pilha contém elementos químicos em seu interior, que são convertidos em eletricidade — até que se esgotem, sendo então a pilha recarregada ou substituída. No caso da pilha a combustível, os elementos químicos são oxigênio e hidrogênio e, como eles são fornecidos de modo contínuo, a pilha mantém a produção de energia indefinidamente.

Nesta edição veremos como funciona o sistema. Nas duas próximas, saberemos como cada um dos principais fabricantes de automóveis está hoje no desenvolvimento dessa tecnologia.

Como funciona

A primeira pilha a combustível foi elaborada em 1839 por William Grove. A partir da eletrólise, em que uma corrente elétrica separa o oxigênio do hidrogênio contidos na água, Grove percebeu que poderia inverter o processo para obter energia elétrica a partir daqueles elementos. As atuais pilhas a combustível podem ser de vários tipos, adequados a finalidades tão diferentes quanto unidades de geração de energia, pequenos equipamentos elétricos (computadores portáteis, por exemplo) e, o que nos interessa em particular, automóveis.

Os tipos mais comuns são a pilha de óxido sólido, adequada a geradores estacionários a pilha alcalina, usada no programa espacial americano desde os anos 60 a pilha de metanol direto, não muito eficiente a de ácido fosfórico, apropriada a pequenas unidades geradoras de energia e a mais viável para uso em veículos: a pilha de membrana de troca de prótons (PEMFC na sigla em inglês).

Esse tipo de pilha compõe-se de quatro elementos: o anodo, ou pólo negativo, que conduz os elétrons das moléculas de hidrogênio o catodo, ou pólo positivo, que distribui oxigênio para o catalisador o eletrólito ou membrana de troca de prótons, que conduz os íons com carga positiva e o catalisador, que facilita a reação do oxigênio com o hidrogênio.

E como isso tudo funciona? O hidrogênio sob pressão entra na pilha pelo anodo e passa pelo catalisador. Quando a molécula de hidrogênio entra em contato com a platina do catalisador, ela se divide em prótons e elétrons. Estes elétrons, ao ser conduzidos pelo anodo, produzem energia para um circuito externo (no caso dos carros, um motor elétrico) e então retornam para o lado do catodo. Os prótons passam pela membrana.

Enquanto isso, o oxigênio do ar é admitido no catodo e também passa pelo catalisador, onde se combina aos prótons e elétrons para formar água (H2O). Essa reação produz apenas calor e água — nenhum tipo de poluente. Como a reação em uma pilha a combustível produz apenas 0,7 volt, diversas pilhas devem ser combinadas em um conjunto, o chamado stack, para elevar a tensão ao patamar desejado.

A pilha nos automóveis

O grande benefício da pilha a combustível nos veículos é sua eficiência na produção de energia se comparada aos motores a combustão. Uma pilha abastecida com hidrogênio puro obtém eficiência de 80%, isto é, consegue aproveitar 80% da energia contida no hidrogênio para produzir energia elétrica. Contudo, tal eletricidade ainda precisa ser convertida em trabalho mecânico em um dispositivo externo, como um motor elétrico, que tem eficiência também ao redor de 80%. Ao fim, chega-se a uma eficiência global de cerca de 65%.

Uma bateria como a usada em carros elétricos tem eficiência ainda maior, da ordem de 90%, e também passa pela eficiência ao redor de 80% do motor elétrico, o que resulta em 72% — mas é preciso considerar as perdas no processo de produção de energia elétrica e, já no veículo, em sua conversão de corrente alternada para corrente contínua. Ambos os sistemas são, portanto, muito mais eficientes que um motor a gasolina, cuja eficiência está na faixa de 20%.

Então — o leitor deve estar perguntando — por que ainda não usamos pilha a combustível em nossos carros? Por causa de alguns obstáculos ainda a ser vencidos.

O primeiro é o elevado custo. Do modo como é feita hoje, e supondo-se produção em grande escala, a pilha tem preço estimado de 110 dólares por kilowatt produzido, mas esse valor deveria cair para 35 dólares/kW para que ela se tornasse competitiva. Um dos desafios é reduzir a quantidade de metais nobres como platina, que encarecem muito o sistema, no catalisador.

Outra dificuldade refere-se à resistência e à confiabilidade. As atuais pilhas sofrem muito com altas temperaturas e com ciclos freqüentes de ligar e desligar. Seria necessário obter estabilidade nesses ciclos e alta resistência a mais de 100ºC, sem prejuízo da capacidade de funcionar abaixo de 0ºC. Alta temperatura e baixa umidade do ar também dificultam manter hidratada a pilha, condição para a transferência dos prótons de hidrogênio.

Há ainda os aspectos de infra-estrutura de distribuição do hidrogênio e de seu armazenamento no veículo, em quantidade suficiente para uma autonomia similar à dos carros a gasolina — ou maior, enquanto a rede de postos de hidrogênio não se equiparar à dos combustíveis tradicionais.

 

 

O carro-conceito Renault Scénic ZEV H2 e seus elementos:
1) tanque de hidrogênio
2) bateria de alta tensão
3) pilha a combustível
4) motor e caixa de câmbio
5) semi-árvore de transmissão
6) compressor de ar
7) filtro de ar
8) módulo eletrônico de alta tensão
9) radiador
e 10) sensores de hidrogênio

 

O princípio de funcionamento no Honda FCX: oxigênio e hidrogênio são admitidos na pilha, que produz eletricidade para o motor-gerador e emite apenas vapor d´água

 

Matéria da edição Nº215 - Janeiro de 2009