Células de combustível são sistemas eletroquímicos projetados para diversas aplicações e com diferentes tamanhos, sua função é converter energia de um combustível em corrente elétrica e calor. Em base de comparação, são dispositivos que têm o funcionamento parecido com o das pilhas.
A diferença está que as pilhas possuem seus reagentes armazenados em seu interior, sofrendo reações de oxidorredução e transformando energia química em elétrica. Já as células a combustível não têm a energia química armazenada, os reagentes são continuamente injetados. 
O combustível mais utilizado é o hidrogênio, mas também existe a possibilidade do uso de outras substâncias, líquidas ou gasosas, com hidrogênio na sua composição, como a amônia ou metanol, o etanol e outros hidrocarbonetos (combustíveis com cadeias de hidrogênio e carbono). 
Apesar de existir vários tipos, todas possuem o mesmo princípio de funcionamento e utilizam combustíveis gasosos, a ação ocorre com o fornecimento sucessivo da energia, desde que se alimente continuamente com os gases. A reação global do processo utilizando hidrogênio é: 2H₂(g) + O₂(g) => 2H₂O + energia.
Quando o hidrogênio entra em contato com um catalisador cede ou liga elétrons para o metal produzindo H+. Esses prótons são transportados pelo eletrólito, que, no caso da célula PEM (célula de hidrogênio que possui o funcionamento através de membrana eletrolítica), é uma membrana polimérica (Nafion®). Essa, além de transportar os prótons é isolante elétrico.
Os elétrons, por sua vez, são conduzidos por um circuito externo gerando um fluxo, corrente e potência elétricas. No caso do oxigênio, que pode ser obtido da própria atmosfera, com a chegada dos prótons de hidrogênio, por meio da membrana e a circulação dos elétrons, é gerado vapor de água.
“A principal característica de uma célula é a geração de energia de forma eficiente (se comparado à um motor de combustão interna) e sem a emissão de materiais poluentes. Se a célula funcionar com hidrogênio puro, também não há a emissão de CO₂ (gás carbônico), apenas calor e água. No caso dos outros combustíveis, as emissões de CO₂ também podem ser muito baixas, em comparação a outras aplicações a combustão” – destaca Fernando Junior, gerente de pesquisa, desenvolvimento e inovação da divisão Power Solutions da Bosch.

Como funcionam e principais tipos
Normalmente esses sistemas possuem alta eficiência, são silenciosos e podem ser montados de forma modular, uma vez que não possuem partes móveis. As células a combustível estimulam a obtenção de uma solução local, pois a fonte de hidrogênio se torna particularmente flexível.
O funcionamento é basicamente composto de dois eletrodos (um positivo e um negativo), com uma membrana separadoras entre eles. De um lado é circulado o combustível, do outro o oxigênio. A célula é alimentada com combustível e converte energia química em energia elétrica. O processo eletroquímico entre os dois eletrodos separa os prótons (carga positiva) e elétrons (carga negativa). 
De acordo com Junior, em uma célula do tipo PEM, por exemplo, os prótons se unem ao oxigênio, criando água e calor como resíduo. Já os elétrons circulam em um circuito externo, gerando uma corrente elétrica. Esta conversão de energia é a entrega da célula, que pode ter diferentes propósitos. 
Existem seis tipos de células combustível que diferem entre si basicamente pelos elementos constituintes, pela temperatura de operação e pela pureza do gás utilizado. Junior destaca alguns deles:
PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell): nome dado devido ao uso de uma “membrana de eletrólito polimérico”, que facilita a movimentação dos prótons liberados. A célula PEM opera em baixas temperaturas (abaixo de 100ºC). 
É normalmente utilizada como gerador (energia auxiliar, aplicação portátil, energia distribuída) ou em aplicações de mobilidade. Suas principais vantagens para uma aplicação automotiva são o custo da tecnologia, a velocidade de inicialização, a facilidade de uso com temperaturas negativas, a densidade de energia e durabilidade.
SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell): nome dado devido aos componentes do eletrólito serem à base de óxidos sólidos (materiais cerâmicos condutores). Diferente da célula PEM, é eficiente apenas em altas temperaturas (acima de 500ºC). É principalmente utilizada como gerador (energia auxiliar, aplicação portátil, energia distribuída). Além de hidrogênio, pode ser alimentada com gás natural, biogás, etanol, metanol e outros, desde que estes combustíveis passem por um pré-tratamento.
AFC (Alcaline Fuel Cell): nome dado por conta do eletrólito, neste caso, um líquido alcalino. É a tecnologia de célula de combustível mais antiga (mais de 100 anos), portanto a mais avançada. De baixa temperatura permite uma variedade de materiais com um menor custo e maior confiabilidade. Dada a complexidade na gestão do eletrólito líquido, suas aplicações normalmente são militares e aeroespaciais.
“Além das 3 principais descritas acima, existem também outros tipos de células, tais como as PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell, com eletrólito de fósforo), as MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell, com eletrólito de sais com metais alcalino), as DEFC / MEFC (Direct Ethanol or Methanol Fuel Cell), que conseguem converter o etanol ou metanol diretamente na célula” – complementa Junior.
Ainda segundo ele, essas últimas são interessantes por serem combustíveis de fácil transporte e com grande disponibilidade. Elas normalmente diferem em eletrólito, temperatura de uso, potência gerada e resíduos. “De todo modo, todas elas continuam em evolução tecnológica, dadas as oportunidades e perspectivas de aplicação no presente e futuro” – afirma. 

Aplicações e vantagens
As aplicações mais comuns das células de combustível são para a geração de energia elétrica (estacionária, como energia auxiliar, aplicação portátil ou energia distribuída) e para a mobilidade (em veículos, para diferentes setores).
Para a mobilidade, ou seja, uma combinação das células de combustível com máquinas elétricas, seu uso pode trazer uma série de vantagens. A primeira delas é que não liberam gases poluentes no ar, como NOx e CO, ou seja, oferecem menor risco de causar problemas de saúde em grandes centros.
Depois podemos destacar as Baixas emissões de CO₂ (que não é um poluente, mas um elemento que pode potencializar o aquecimento global) ou até mesmo zero CO₂. Quando abastecidas com hidrogênio auxiliam na transição para uma mobilidade neutra em carbono.
Além disso, temos Autonomia veicular (distância percorrida com um abastecimento), pois os combustíveis utilizados têm maior densidade energética que as baterias (comparados com os veículos elétricos) e a eficiência da tecnologia (>60%) é superior quando comparadas com a conversão em máquinas térmicas, como os motores à combustão interna (<40%).
Combinado com a maior autonomia, o sistema pode ocupar menor espaço em veículos comerciais, liberando volume para o transporte de cargas, em comparação com soluções puramente elétricas. São projetadas para uma fácil desmontagem e reciclagem no final de vida (economia circular e redução na pegada de carbono do produto).
Ainda podemos citar o tempo de abastecimento similar ao abastecimento convencional dos combustíveis líquidos (5 a 10 minutos, dependendo do tamanho do tanque e quantidade necessária para completar). Uma grande vantagem se compararmos com veículos puramente elétricos (BEV).
Apesar de ainda demandar uma bateria (para partida e como reserva de energia em condições específicas) um veículo elétrico à célula de combustível (FCEV) precisa de uma bateria muito pequena em comparação com um veículo puramente elétrico. 
“Esta característica, além de reduzir o custo do pacote de baterias, peso do veículo e espaço ocupado, é uma grande vantagem em termos de economia circular e redução do uso de recursos naturais (principalmente no uso de água para a mineração de metais raros e preciosos)” – enfatiza o gerente da Bosch. 
De maneira resumida, podemos dizer então que células de combustíveis possui elevada eficiência de conversão elétrica, chegando a 50%; elevada eficiência de conversão com cogeração chegando a 80% (calor pode ser usado para aquecer água); geração no local, sem poluição química, porque produz somente água, e sem poluição sonora; vida útil estimada de até 40 mil horas; e o custo ainda é elevado porque é uma tecnologia nova e não é produzida em grande escala.

Vale destacar que além da eletricidade produzida, gera água, o que corresponde a uma das suas principais vantagens. Nesse sentido é muito usada em espaçonaves, como as americanas Gemini, Apollo e o Ônibus espacial. A nave Apollo, por exemplo, sendo movida à célula de combustível, consome 680 kg de hidrogênio e produz 720 L de água no período de 7 dias.
Nesse sentido, pelo aumento do seu uso, principalmente em automóveis e em residências, comércios e indústrias, para muitos cientistas essa alternativa é considerada como o combustível do futuro, uma vez que praticamente não gera poluentes.
Muitos fabricantes de automóveis na Europa, Japão e Estados Unidos, inclusive, estão colocando em exposição e demonstrando veículos movidos a células a combustível com alto desempenho e emissões zero de poluentes. Lembrando que nesses casos é melhor usar combustíveis líquidos, como o metanol e o etanol, que podem ser reformados a hidrogênio a bordo do veículo ou que podem ser utilizados diretamente.
Por outro lado, mesmo com investimentos em pesquisa e de todo o esforço, principalmente dos países industrializados, os impasses científicos e tecnológicos ainda não foram superados. Muito se fala que, em 50 anos, ocorram avanços no sentido de tornar comerciais e disponíveis produtos das tecnologias das células a combustível.
Isso porque, hoje, o custo de uma unidade de geração de células a combustível do tipo PEM, para aplicação como backup de energia, é de aproximadamente 5 mil euros por kilowatt. Esse valor para determinados nichos de mercado já pode ser considerado competitivo, mas ainda distante para uma grande gama de aplicações. 

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