Apesar da alta tecnologia empregada para o seu funcionamento, as células a combustível são conhecidas pela ciência há mais de 150 anos. Embora tenham sido consideradas uma grande curiosidade do século XIX, elas foram alvos de intensas pesquisas principalmente durante a Segunda Guerra Mundial.
A primeira CaC foi construída em 1801 por Humphrey Davy, que realizou estudos em eletroquímica usando carbono e ácido nítrico. Mas o advogado e cientista inglês, William Grove (1811–1896), que foi considerado o precursor das células a combustível. A “Célula de Grove”, como era chamada, usava um eletrodo de platina imerso em ácido nítrico e um eletrodo de zinco imerso em sulfato de zinco para gerar uma corrente de 12 amperes e uma tensão de 1.8 volts.
Grove descobriu que colocando dois eletrodos de platina com cada lado de cada eletrodo imerso num tubo contendo ácido sulfúrico diluído, e os outros dois lados separadamente conectados em tubos fechados com oxigênio e hidrogênio, uma corrente contínua circularia entre os eletrodos. Os tubos isolados e fechados produziam água e também gases, e ele notou que o nível de água aumentou em ambos os tubos onde a corrente elétrica passou.
Em seguida, Grove construiu uma fonte de energia usando vinte e seis células em série e foi o primeiro a notar e explicitar a dificuldade de produzir altas densidades de corrente elétrica em uma pilha a combustível (várias células a combustível conectadas em série), que utiliza gases como reagentes. O problema que enfrentou na época ainda está sendo estudado atualmente por pesquisadores da área. O seu empenho neste problema é demonstrado pela seguinte citação:
“Como a ação química ou catalítica só poderia acontecer com uma placa de platina comum na linha ou marca de água onde o líquido, o gás e a platina se encontram, há dificuldade em obter um dispositivo capaz de oferecer uma superfície notável de ação”.
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Em 1800, os cientistas britânicos William Nicholson e Anthony Carlisle descreveram o processo de usar eletricidade para decompor a água em hidrogênio e oxigênio. Mas combinar os gases para produzir eletricidade e água foi a grande descoberta de William Grove. Logo depois ele chamou o dispositivo desta experiência como a “bateria a gás” – a primeira célula a combustível.
O químico Ludwig Mond, dedicou a maior parte da sua carreira desenvolvendo tecnologias para a indústria química tal como o refinamento de níquel. Em 1889, Mond e seu assistente Carl Langer, descreveram a sua experiência com a CaC a hidrogênio e oxigênio. A experiência produziu uma corrente elétrica de 6 amperes – densidade de corrente de 2,8 a 3,5 mA/cm2 – numa pequena área de eletrodo de 700 cm2 produzindo uma tensão de 0,73 volts. A célula a combustível de Mond e Langer usava 0,35 g de finos eletrodos de platina porosos e um eletrólito de ácido sulfúrico. Eles observaram dificuldades utilizando eletrólitos líquidos, pois somente obtinham sucesso utilizando eletrólitos em forma sólida.
Já o cientista e fundador do campo da físico-química, Friedrich Wilhelm Ostwald, contribuiu com muitas das teorias sobre as células a combustível. Em 1893, ele determinou experimentalmente as funções dos vários componentes de uma CaC: eletrodos, eletrólito, agentes de oxidação e redução, ânions e cátions.
William Grove especulava que as reações que ocorriam na sua bateria de gás ocorriam nos pontos de contato entre eletrodos, gás e eletrólito, mas não sabia explicar além disso. Já Ostwald, que desenvolveu a relação entre as propriedades físicas e reações químicas, resolveu a incógnita do funcionamento da célula de gás de William Grove. Sua pesquisa sobre o funcionamento químico das células foi a base de trabalho para as pesquisas sobre CaCs nos anos seguintes por outros pesquisadores.
Na primeira metade do século XX, o cientista suíço Emil Baur, juntamente com seus estudantes, conduziu uma grande quantidade de pesquisas com vários tipos de tecnologias de células a combustível. Parte do trabalho de Emil Baur incluiu dispositivos de alta temperatura (utilizando prata fundida como eletrólito) e um eletrólito sólido de argila e óxidos metálicos.
No final dos anos 30, Francis Thomas Bacon começou pesquisando CaCs de eletrólito alcalino (AFC- Alkaline Fuel Cell) de alta pressão, que parecia oferecer resultados viáveis. Em 1939, ele construiu uma célula que usava eletrodos de níquel e operava numa pressão de até 220 atm numa temperatura de 100 ºC. Durante a Segunda Guerra Mundial, Bacon trabalhou no desenvolvimento de células que poderiam ser usadas nos submarinos da marinha inglesa, e em 1958 demonstrou uma CaC alcalina usando um dispositivo com eletrodo de 10 polegadas (25,4 cm) de diâmetro.
Embora fossem extremamente caras, as células a combustível de Francis Bacon provaram ser suficientemente confiáveis para atrair a atenção da Pratt & Whitney. Esta empresa se uniu com a Energy Conversion, que tinha Francis Bacon como consultor e licenciou o trabalho dele para ser utilizado no desenvolvimento de um sistema de geração de energia para as missões espaciais Gemini e Apollo da Nasa. Este sistema era constituído por três unidades de pilhas a combustível alcalinas e operavam a pressões de 3,5 atm. Na seqüência do desenvolvimento tecnológico, a temperatura das células foi aumentada para 200 ºC, e produziam potência de 1,4 kW cada. A tensão desenvolvida variava entre 27 e 31 volts, com uma vida útil limitada em 400 horas de operação, devido principalmente à corrosão do cátodo (eletrodo). Após as missões Apollo, a construção de novas células a combustível alcalinas operando com altas pressões, foi paralisada e tornou claro, levando em conta esse tipo de células, que sua comercialização tinha como principais obstáculos o alto custo e a pequena vida útil.
Mas atualmente, as CaCs apresentam uma evolução em durabilidade, diminuição dos custos e são uma das principais soluções energéticas ambientalmente amigáveis. É só uma questão de tempo para que as células a combustível estejam fazendo parte da vida das pessoas como ocorreu com os computadores pessoais.
Obs: Quando mencionamos a palavra “célula a combustível”, queremos generalizar o conceito desde uma célula apenas até várias unidades de células conectadas, formando o que alguns pesquisadores e autores chamam de pilhas a combustível. Mas o nome mais usual e preferido é “células a combustível” para ambos os sentidos (desde uma unidade até várias conectadas).
Fonte: Brasil H2 Fuel Cell Energy
Por: Eng. Emilio Hoffmann Gomes Neto
