Células de combustível

Célula eletroquímica que converte energia potencial de um combustível em eletricidade por uma reação eletroquímica de eletrólise reversa.
Constitui-se de dois eletrodos (cátodo e ânodo) e um eletrólito.

Costumam utilizar hidrogênio como combustível, o oxigênio é utilizado como agente oxidante.

O eletrólito consiste em uma substância que conduz os íons carregados de um eletrodo até o outro.

A voltagem aumenta com o uso de células dispostas em série.

Processo

Ânodo (polo negativo): onde ocorre a oxidação do hidrogênio gasoso ( $H_{2}$ ) em dois prótons ( $H^{+}$ ) e dois elétrons (e^-).
Cátodo (polo positivo): onde ocorre aredução do oxigênio, que combina com H+do eletrólito e e- dando origem a água.
O eletrólito é feito de um componente específico que permite a passagem somente do $H^{+}$ .
- Os elétrons (e-) impedidos de passar pelo eletrólito são destinados ao circuito elétrico do dispositivo.

Tipos de célula

Tempo de início em torno de 1 segundo: membranas de troca de próton (PEM) operam a temperaturas abaixo de 250 ºC.
Tempo de início em torno de 10 minutos: óxidos sólidos (SOFC) operam a temperaturas acima de 600 ºC.

Vantagens

Combustível com menos impacto ambiental, gerando majoritariamente vapor de água.
Biohidrogênio pode ser originado completamente de fermentação biológica.
Pode ser originado de resíduos agroindustriais.

Desvantagens

Difícil armazenamento e transporte.
Altamente explosivo.
Maioria das vezes produzido a partir da mistura de gás natural com água (95%).
Produtividade baixa comparada a outros tipos de fermentação.

Obtenção do hidrogênio

Fermentação do hidrogênio

biohidrogênio: Originado a partir de moléculas orgânicas utilizando microrganismos.
Ocorre de maneira exclusivamente anaeróbica.
Dividida em fermentação escura e fotofermentação.

Fermentação escura

Não depende de luz para ocorrer, podendo produzir dia e noite. Pode chegar a 4 mol $H_{2}$ /mol glucose. A fermentação de biohidrogênio dá origem a ácido acético, seguido de ácido fórmico ou gás carbônico.
Principais enzimas: hidrogenases.

Exergônica $Δ$ G = -216 Kcal/mol

C_{6} H_{12} O_{6} + 2 H_{2} O ⟶ 2 CH_{3} CO_{2} H + 2 CO_{2} + 4 H_{2}

Exergônica $Δ$ G = -209 Kcal/mol

C_{6} H_{12} O_{6} + 2 H_{2} O ⟶ 2 CH_{3} CO_{2} H + 2 HCO_{2} H + 2 H_{2}

Espécies produtoras

Bacillus, Citrobacter, Clostridium, Enterobacter, Escherichia e Rhodopseudomonas.

Fotofermentação

Processo associado naturalmente à fotossíntese. Utiliza a clorofila para maximizar a taxa de conversão fotobiológica da energia solar. Substituem a produção de oxigênio por hidrogênio na ausência de enxofre. Durante a fotossíntese, ocorre a fotólise da água em $H^{+}$ e e^-.
Elétrons são transportados por ferridoxinas, enquanto que íons de $H^{+}$ são combinados por hidrogenases $Fe - Fe$ .

Light-harvesting complex photosystem II
Light-harvesting protein LHCBM9.

No caso das cianobactérias, ocorre durante a fixação de nitrogênio em amônia, elas degradam parte do hidrogênio produzido para recuperar energia perdida:

N_{2} + 8 H^{+} + 8 NAD (P) H + 16 ATP ⟶ 2 NH_{3} + H_{2} + 16 ADP + 16 Pi + 8 NAD (P)^{+}

Dificuldades: Alta concentração de hidrogênio forma um gradiente acumulado de prótons. Alta interferência do gás carbônico formado. Rendimento altamente sensível à presença de oxigênio.

Espécies produtoras

Cianobactérias (Synechocystis, Desertiflum, Oscillatoria, Anabaena) e microalgas (Scenedesmus, Chlamydomonas, Chlorella).