Imagem: Para produzir eletricidade, a célula de combustível funciona explorando a energia de uma reação eletroquímica entre um combustível, como o hidrogênio, e um oxidante, como o oxigênio. Ao contrário das baterias, para funcionar continuamente, as células de combustível requerem um fornecimento de combustível e oxidante em tempo real.
A história começa no final do século 18, quando o cientista britânico William Nicholson (1753-1815) descobriu que a água podia ser decomposta em hidrogênio e oxigênio pela eletricidade. Mas foi no início do século 19 que foram lançadas as bases da moderna célula de combustível.
Em 1839, o físico britânico William Grove (1811-1896) inventou a primeira célula de combustível funcional, conhecida como célula de Grove. Ele usava hidrogênio como combustível e oxigênio como oxidante e produzia água e eletricidade como produtos de reação.
Nas décadas seguintes, vários químicos fizeram contribuições significativas para a tecnologia de células de combustível, Francis Thomas Bacon (1904-1992), Wilhelm Ostwald (1853-1932), Karl Kordesch (1922-2011).
Em 1889, o pesquisador alemão Ludwig Mond (1839-1909) desenvolveu uma célula de combustível à base de gás, usando monóxido de carbono como combustível.
Em 1965, a missão espacial Gemini 5 foi a primeira a usar uma célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC) a bordo de sua espaçonave.
Desde então, diferentes tipos de células de combustível foram desenvolvidos, incluindo células de combustível alcalinas, PEMFC, óxido sólido e carbonato fundido, cada uma com vantagens em vários campos, como espaço, veículos elétricos, sistemas de backup, etc. aplicações estacionárias.
O uso do termo "célula de combustível" enfatiza o processo eletroquímico que ocorre dentro do dispositivo, e não o tipo específico de combustível usado. A célula de combustível fornece eletricidade continuamente, desde que seja fornecida em tempo real com combustível e oxidante. Ao contrário das baterias, a célula de combustível não armazena energia elétrica e, portanto, não precisa ser recarregada. Por outro lado, é necessário armazenar e transportar o combustível adequadamente para uso contínuo.
O termo "combustível" é usado amplamente para abranger diferentes tipos de combustíveis que podem ser usados, como hidrogênio (H2), metanol (CH3OH), metano (CH4), propano (C3H8), gás sintético, uma mistura de monóxido de carbono ( CO) e hidrogênio (H2), etc. A terminologia geral de "célula de combustível" permite que outros compostos químicos sejam incluídos no futuro.
A célula de combustível de hidrogênio-oxigênio, também conhecida como célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC), requer um suprimento contínuo de hidrogênio e oxigênio.
O hidrogênio é fornecido ao ânodo (eletrodo negativo), enquanto o oxigênio (geralmente ar) é fornecido ao cátodo (eletrodo positivo).
Os dois eletrodos são separados por uma membrana de polímero condutora de íons, chamada de eletrólito.
No ânodo, o hidrogênio se decompõe em íons de hidrogênio (prótons H+) e elétrons (e-) por meio de uma reação de dissociação, catalisada por um material como a platina. O catalisador no ânodo facilita esta reação (2H2 → 4H+ + 4e-).
Os prótons são então transportados através da membrana de troca de prótons (PEM) para o cátodo, enquanto os elétrons são forçados a fluir por um circuito externo, criando uma corrente elétrica que pode ser usada para alimentar dispositivos elétricos.
Assim, os elétrons fornecem eletricidade, depois se juntam ao cátodo onde participam da reação de redução com os prótons e o oxigênio para formar água.
O catalisador no cátodo, geralmente platina ligada a outros metais, facilita essa reação (O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O).
A água produzida no cátodo, bem como o excesso de hidrogênio e oxigênio não consumido, são evacuados da célula de combustível na forma de vapor de água e ar. A equação geral para a reação química em uma célula de combustível de hidrogênio-oxigênio é 2H2 (hidrogênio) + O2 (oxigênio) → 2H2O (água).
O hidrogênio é o elemento mais abundante no universo, mas não está disponível como hidrogênio livre na Terra. No entanto, pode ser produzido a partir de várias fontes (eletrólise da água, reforma de hidrocarbonetos, etc).
As células de combustível de hidrogênio-oxigênio têm alta eficiência energética, o que significa que elas podem converter grande parte da energia química contida nas ligações de hidrogênio em eletricidade.
Essas células de combustível podem converter entre 40% e 60% da energia química do hidrogênio em eletricidade utilizável. O resto da energia é dissipada como calor. Para comparação, a eficiência dos motores de combustão interna tradicionais está entre 25% e 40%.
Na água, a energia de ligação é relativamente alta em comparação com outras energias de ligação molecular. A interação entre os átomos de hidrogênio e o átomo de oxigênio forma uma ligação covalente polarizada. Essa polaridade fortalece a interação entre os átomos, aumentando assim a energia de ligação. Na molécula de água, o oxigênio é mais eletronegativo que o hidrogênio, o que significa que ele atrai os elétrons compartilhados mais fortemente para a ligação, criando assim uma carga parcial negativa no oxigênio e uma carga parcial positiva nos hidrogênios. A energia de ligação covalente média entre o átomo de hidrogênio e o átomo de oxigênio é de cerca de 460 quilojoules por mol (kJ/mol). Parte dessa energia é convertida em energia elétrica por meio do processo de reação eletroquímica na célula a combustível.
Assim, o hidrogênio é considerado o combustível ideal para células a combustível devido ao seu alto potencial de eficiência energética e redução de emissões.
O Pentaquark: uma nova peça do quebra-cabeça cósmico!
Por que os Gases Raros são raros?
O Movimento Browniano: uma conexão entre
dois mundos
Os 4 artigos de Albert
Einstein do ano de 1905 
Por que a fusão nuclear exige tanta energia? 
Diagramas de Feynman e física de partículas
As estrelas não podem
criar elementos mais pesados que o ferro por causa da barreira de instabilidade nuclear 
O que é radioatividade β? 
Teoria da parede de Planck 
O vazio é realmente vazio? 
O Grande Colisor de Hádrons 
O hádron não é um objeto fixo 
Radioatividade, natural e artificial 
A escala das nanopartículas 
Gato de Schrodinger 
Antes do big bang, o multiverso 
Inflação eterna 
Ondas gravitacionais 
Princípio de emissão e absorção
atômica 
Além dos nossos sentidos 
O que é uma onda? 
Os campos da realidade: o que é
um campo? 
Espaço no tempo 
Calculadora ou computador quântico 
Condensado de Bose-Einstein 
Equação das três leis de Newton 
Conceito de campo em física 
O elétron, uma espécie de ponto elétrico 
Entropia e desordem 
Luz, toda a luz do espectro 
A jornada infernal do fóton 
Mistério do Big Bang, o problema do horizonte
O neutrino e a radioatividade beta 
Espaço-tempo de Einstein 
A incrível precisão do segundo 
Por que a física tem constantes? 
Espectroscopia, uma fonte
inesgotável de informações 
Abundância de elementos químicos no universo
Efeitos da aberração da luz 
O tamanho dos átomos 
A ordem magnética e magnetização 
O confinamento de quarks 
Superposições de estados quânticos
Emissão alfa (α) 
Equação de indução eletromagnética 
Fusão nuclear, fonte de energia natural 
A matéria escura existe? 
Matéria não bariônica 
O mistério da estrutura do átomo 
O mistério da matéria, de onde vem a massa 
Energia nuclear e urânio 
O Universo dos raios X 
Quantos fótons para aquecer um café? 
Imagem do átomo de ouro, microscópio de corrente
de tunelamento 
Efeito túnel da mecânica quântica 
As 12 partículas de matéria 
Átomo ou orbital atômico 
Radioatividade da Terra 
O Segundo intercalar 
O vácuo tem energia considerável 
Antimatéria e antipartícula 
O que é uma carga elétrica? 
Nossa matéria não é quântica! 
Os segredos da gravidade 
E=mc2 explica a massa do próton 
Imagem da gravidade desde Albert Einstein 
O ano milagroso de Einstein: 1905 
O que
a equação E=mc2 realmente significa? 
Relatividade especial e espaço e
tempo