Células de Combustível

Uma célula de combustível converte a energia química de um combustível e oxidante continuamente fornecidos diretamente em eletricidade através de reações eletroquímicas espacialmente separadas, sem combustão.

Definition

Um dispositivo eletroquímico que produz eletricidade oxidando continuamente um combustível fornecido externamente no ânodo e reduzindo um oxidante, tipicamente oxigénio, no cátodo, com iões transportados através de um eletrólito.

Scope

Este tópico aborda o funcionamento das células de combustível: a oxidação anódica de um combustível como o hidrogénio e a redução catódica do oxigénio, o papel do eletrólito ou membrana condutora de iões, os principais tipos de células distinguidos pelo eletrólito e temperatura, a limitação cinética da reação de redução de oxigénio e a eficiência em relação aos limites termodinâmicos. Aborda por que as células de combustível são centrais para os sistemas de energia baseados em hidrogénio.

Core questions

• Como uma célula de combustível gera eletricidade diretamente do combustível sem combustão?
• Que papel desempenha o eletrólito ou membrana condutora de iões na separação das semi-reações?
• Por que a reação de redução de oxigénio limita o desempenho e como a catálise a aborda?
• Como os tipos de células de combustível diferem em eletrólito, temperatura de operação e aplicação?

Key theories

Oxidação eletroquímica contínua

Ao contrário de uma bateria, uma célula de combustível não armazena reagentes internamente; o combustível e o oxidante fluem continuamente para elétrodos espacialmente separados, de modo que a eletricidade é produzida enquanto o fornecimento continuar, desvinculando a potência da capacidade armazenada.

Sobrepotencial de redução de oxigénio

A cinética lenta da reação de redução de oxigénio multi-eletrónica no cátodo impõe um grande sobrepotencial que domina a perda de eficiência, motivando o desenvolvimento de eletrocatalisadores de platina e alternativos.

Clinical relevance

As células de combustível oferecem energia limpa e eficiente para veículos, geração estacionária e sistemas portáteis, e são cruciais para estratégias de economia de hidrogénio para descarbonizar o transporte e a indústria; o seu custo e durabilidade dependem dos avanços em catalisadores e membranas.

History

Grove demonstrou a bateria voltaica gasosa em 1839, com base nas observações de Schönbein; Bacon desenvolveu células de combustível alcalinas práticas em meados do século XX, que alimentaram as missões Apollo, e as células de membrana de troca protónica amadureceram para o transporte a partir da década de 1990.

Key figures

• William Grove
• Francis Thomas Bacon
• Christian Friedrich Schönbein

Seminal works

• winter2004
• ohayre2016
• newman2004

Frequently asked questions

Por que as células de combustível são mais eficientes do que os motores de combustão?

Elas convertem energia química diretamente em eletricidade eletroquimicamente, portanto não estão sujeitas ao limite de Carnot que restringe os motores térmicos, permitindo maior eficiência, especialmente em carga parcial.

Por que as células de combustível de hidrogénio precisam de catalisadores de platina caros?

A reação de redução de oxigénio no cátodo é cineticamente muito lenta, e os metais do grupo da platina fornecem a atividade necessária para manter o sobrepotencial aceitável; reduzir ou substituir este catalisador é um grande objetivo de pesquisa.