Evolução histórica
Células de Combustível

Apesar da associação das células de combustível às tecnologias modernas, o princípio de funcionamento destas foi descoberto à mais de 150 anos. A tecnologia das células de combustível é anterior à do motor de combustão interna, inventado por Nikolaus Otto em 1876, e à do motor de compressão/ignição, inventado por Rudolf Diesel em 1892. Na realidade, a história das células de combustível iniciou-se em 1839 por intermédio dum jurista britânico, tornado cientista, de nome William Robert Grove (1811-1896) [St-Pierre et al., 2001].

A partir de experimentações de carácter simples, Grove descobriu que a electrólise da água em ácido sulfúrico diluído era reversível [Thomas et al., 1999]. Ou seja, utilizando dois eléctrodos de platina parcialmente mergulhados numa solução aquosa ácida, e com a parte restante isolada separadamente por dois reservatórios contendo oxigénio e hidrogénio, Robert Grove conseguiu verificar que o sistema produzia trabalho eléctrico. Para além disso, Grove verificou que ao combinar, em série, diversas células deste tipo podia produzir corrente eléctrica suficiente para fazer a electrólise da água (ver figura). A modo de conclusão, Grove designou o aparelho descoberto como sendo uma bateria gasosa – a primeira célula de combustível.

Em 1889, o químico Ludwig Mond (1839 – 1909) e o seu assistente Langer ( falecido em 1935) descreveram as suas experiências com uma célula de combustível de hidrogénio/oxigénio que produzia uma densidade de corrente de 6 amperes, por pé quadrado de eléctrodo, a 0,73 V.
Nesta descrição, Mond e Langer, verificaram diversas dificuldades quando utilizavam electrólitos líquidos, afirmando que obtinham maiores sucessos quando utilizavam electrólito em estado quase sólido [Möller et al., 2000]. Um exemplo de electrólito era um prato de barro impregnado com ácido sulfúrico diluído. Nesta mesma altura surgiam as invenções da turbina a gás e do motor de combustão interna que pareciam mais fáceis de implementar. Sendo assim, foi aplicado muito maior esforço no seu desenvolvimento em detrimento das células de combustível [Möller et al., 2000].

Em 1893, Friedrich Wilhelm Ostwald (1853-1932), um dos fundadores do conceito científico Química Física, desenvolveu a maior parte do conhecimento teórico dos princípios de operação das células de combustível [Möller et al., 2000]. Ostwald, a partir do seu trabalho pioneiro que relacionava as propriedades físicas com as reacções químicas, resolveu o puzzle apresentado por Grove. As suas descobertas no âmbito da ciências envolvidas nas células de combustível serviram como base para os investigadores posteriores.

Depois de 1920, o eléctrodo de difusão de gás foi reconhecido como a chave para o sucesso do funcionamento das células de combustível a baixas temperaturas [Kordesch et al., 1996]. A. Schmid foi pioneiro ao desenvolver o primeiro eléctrodo tubular para o hidrogénio com carbono poroso e platina impregnada neste. A partir deste momento, as células de combustível reais passaram a ser construídas a partir duma associação deste tipo de eléctrodo com um de construção similar para o ar (oxidante).

No Reino Unido, Francis Thomas Bacon (1904-1992) investigou o sistema de células de combustível alcalinas com eléctrodos metálicos porosos [Kordesch et al., 1996]. Deste modo a área disponível para a reacção passou a ser muito superior. Este sistema serviu como protótipo para as células de combustível utilizadas no programa espacial Apollo e Gemini (NASA), que contribuíram para que o Homem chegasse à lua em 1968. Comparativamente com outras fontes de energia, as células de combustível disponibilizaram a melhor densidade de corrente (kWh/kg) com uma potência específica aceitável (kW/kg).

Na década de 1970 houve um interesse crescente na investigação das células de combustível [Kordesch et al., 1996]. O sistema alcalino, que alcançou o nível máximo de desenvolvimento durante os programas espaciais, foi substituído a nível da investigação mundial pelo sistema ácido-fosfórico que, por sua vez, era mais indicado para sistemas estacionários de produção de energia eléctrica. Em paralelo foram realizados esforços no desenvolvimento de reformadores de hidrocarbonetos. Os esforços para o desenvolvimento de sistemas de produção de energia eléctrica de elevado porte foram mais evidenciados no Japão, depois de uma quebra de interesse por parte dos Estados Unidos [Kordesch et al., 1996].

No entanto, nas décadas de 80 e 90, devido à sua melhor eficiência e possibilidade de co-produção de calor (operação a elevadas temperaturas), o desenvolvimento nos sistemas das células de combustível de carbonato fundido e de óxido sólido aceleraram. Infelizmente, os baixos tempos de vida resultaram em problemas ainda por resolver para estes tipos de células de combustível [Kordesch et al., 1996].

Outra reviravolta surpreendente na tecnologia das células de combustível aconteceu durante os anos 90. O sistema das células de combustível com membrana de permuta protónica reapareceu no meio científico como atractivo. Este sistema já existia desde 1960, mas não resultou aplicável para os projectos espaciais. Devido ao desenvolvimento de novas membranas e catalisadores foram obtidas elevadas densidades de corrente. Igualmente, o tempo de vida de operação aumentou consideravelmente [Kordesch et al., 1996].



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