Pilha de combustível de hidrogénio

Uma pilha de combustível de hidrogénio produz eletricidade combinando hidrogénio e oxigénio em dois elétrodos separados por um eletrólito, tendo como únicos produtos água e calor. Ao contrário de uma pilha comum, é alimentada de fora e funciona enquanto chega gás. Christian Schönbein observou o efeito em 1838, ele e William Grove relataram-no em 1839, Grove construiu uma bateria de gás de cinquenta elementos em 1842 e, na década de 1960, as pilhas de combustível alimentaram as naves Gemini e Apollo.

O que é

Uma pilha de combustível é uma célula eletroquímica alimentada continuamente com os seus reagentes. Numa pilha de hidrogénio, o hidrogénio chega a um elétrodo e o oxigénio, geralmente o do ar, ao outro, e a célula fornece corrente contínua enquanto os gases continuarem a chegar. Uma pilha comum traz uma reserva fixa de substâncias que se esgota; numa pilha de combustível, os elétrodos e o eletrólito são pensados para se manterem inalterados.

A reação é o inverso da eletrólise da água: o hidrogénio e o oxigénio combinam-se em água, e parte da sua energia química sai como eletricidade em vez de calor. Com hidrogénio puro, os únicos produtos são eletricidade, água e calor. Como não se queima combustível para mover um motor, o rendimento pode ultrapassar 60 %.

Como funciona

Uma célula moderna é feita em camadas: placas com ranhuras levam o hidrogénio a uma face da membrana e o ar à outra.

Os elétrodos têm um catalisador, muitas vezes platina. O eletrólito que os separa deixa passar iões mas não eletrões, que têm de dar a volta pelo circuito exterior, onde fazem trabalho numa lâmpada ou num motor. Numa pilha de membrana de troca de protões, o hidrogénio cede os seus eletrões no elétrodo negativo, o ânodo, e torna-se iões de hidrogénio; estes atravessam a membrana até ao elétrodo positivo, o cátodo, onde encontram os eletrões que regressam e o oxigénio e formam água. Uma pilha alcalina desloca iões hidróxido no sentido contrário: formam-se no cátodo a partir de oxigénio, água e eletrões, atravessam o eletrólito até ao ânodo e aí combinam-se com o hidrogénio, de modo que a água aparece no ânodo.

A reação só acontece onde o gás, o eletrólito e o catalisador se tocam, por isso os elétrodos são porosos, para que essa linha de encontro seja o mais longa possível. Grove notou-o em 1842: numa simples folha de platina a ação só se dava na linha da água, e por isso cobriu as suas lâminas com platina fina depositada a partir de uma solução. Os elétrodos modernos são folhas finas com uma camada repelente à água, uma camada ativa de catalisador sobre carbono e uma camada condutora.

Uma única célula dá uma tensão baixa, por isso as células são empilhadas em série para chegar a uma tensão útil. Nas pilhas de membrana de troca de protões, o eletrólito é uma membrana de plástico fina que só deixa passar os iões de hidrogénio. As pilhas alcalinas, do tipo que Bacon desenvolveu, usam uma solução alcalina. Outros tipos funcionam a quente, com carbonatos fundidos ou com um eletrólito cerâmico sólido. Um sistema completo precisa ainda de bombas ou ventiladores, de uma forma de retirar a água e o calor, de sensores e de controlo.

Como fazer

Sem a pilha, o gás que fica nas minas transforma-as numa minúscula pilha de combustível.

É possível ver uma pilha de combustível a trabalhar em ponto pequeno. Monte o dispositivo de lápis descrito na eletrólise da água: dois lápis de madeira afiados nas duas pontas, espetados num cartão pousado sobre um copo de água com um pouco de sal de Epsom dissolvido, com as pontas de baixo no líquido sem se tocarem. São precisos ainda uma pilha de 9 volts, dois cabos com pinças crocodilo e um multímetro regulado para medir volts em corrente contínua.

Ligue a pilha às duas pontas de cima até subirem bolhas das duas minas. Parte do hidrogénio e do oxigénio fica retida na grafite. Solte a pilha e ligue em vez dela os dois lápis ao multímetro, o lápis que estava no polo negativo ao cabo preto do aparelho.

O multímetro indica uma tensão: o hidrogénio retido numa mina e o oxigénio na outra recombinam-se através da solução e fazem passar uma corrente pelo aparelho, como nas lâminas de platina de Grove. Volte a ligar a pilha para produzir mais gás.

Segurança. As bolhas contêm hidrogénio, que forma misturas explosivas com o ar e arde com uma chama quase invisível. Mantenha chamas e faíscas longe do copo e nunca recolha o gás num recipiente.

História e evolução

Em fevereiro de 1839 Grove relatou como a agulha de um galvanómetro se desviava quando uma lâmina de platina entrava no hidrogénio e a outra no oxigénio.

Christian Friedrich Schönbein, professor de física e química em Basileia, observou o efeito em 1838. Numa carta datada de dezembro de 1838 e publicada no número de janeiro de 1839 do Philosophical Magazine, descreveu como fios de platina que tinham servido de elétrodos em água acidulada perdiam ou ganhavam poder voltaico no hidrogénio ou no oxigénio, e atribuiu as correntes obtidas à união dos dois gases. No número de fevereiro, William Robert Grove, mais tarde professor de filosofia experimental na London Institution, descreveu o efeito no fim de um artigo sobre a combinação de gases pela platina. Selou duas lâminas de platina através do fundo de um vaso de vidro cheio de água acidulada com ácido sulfúrico e inverteu um tubo de oxigénio sobre uma e um de hidrogénio sobre a outra. Assim que as lâminas tocaram nos gases, um galvanómetro ligado a elas desviou-se, e nas horas seguintes o líquido subiu nos dois tubos, mais no do hidrogénio. Grove terminava com a esperança de «decompor a água por meio da sua composição».

Em dezembro de 1842 descreveu uma «bateria voltaica gasosa» de 50 pares de tubos, cada um com uma lâmina de platina platinizada, mergulhados em ácido sulfúrico diluído. Dava um choque, uma faísca entre pontas de carvão e corrente bastante para decompor a água. O seu assistente reparou que o hidrogénio era consumido duas vezes mais depressa do que o oxigénio.

No final da década de 1880, Ludwig Mond e Carl Langer obtiveram pilhas mais duradouras retendo o eletrólito num material poroso não condutor. Francis Thomas Bacon dedicou-se à pilha de hidrogénio e oxigénio quando trabalhava na empresa de engenharia C. A. Parsons, continuou no King’s College de Londres e, a partir de 1946, em Cambridge, onde desenvolveu pilhas alcalinas práticas com elétrodos de difusão de gás. A exploração espacial criou depois a necessidade de energia leve e eficiente. As pilhas de combustível alimentaram as naves Gemini e Apollo e mais tarde o vaivém espacial; as da Apollo derivavam de uma unidade de 6 kW construída para o projeto de Bacon pela empresa Marshall, de Cambridge. Hoje usam-se em veículos, em edifícios e como alimentação de reserva, mas o preço da platina e o armazenamento do hidrogénio ainda travam a sua difusão.