ILHA SOLTEIRA
XII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica - 22 a 26 de agosto de 2005 - Ilha Solteira - SP
Paper CRE05-FS02
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE BIOCÉLULAS A COMBUSTÍVEL E CÉLULAS A
COMBUSTÍVEL ELETROQUÍMICAS
George Cassani Gatti1 e Sílvio Carlos A. de Almeida2
Programa de Engenharia Mecânica – Universidade Federal do Rio de Janeiro
Cid. Universitária-Centro de Tecnologia-Bloco G, sala 204, Ilha do Fundão – Caixa Postal 68503, CEP: 21945-970,
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Introdução e Objetivos
Diversas tecnologias têm sido estudas como alternativas aos derivados de petróleo. Dentre estas se
destaca a tecnologia das células a combustível devido ao seu diversificado campo de aplicação que abrange
desde dispositivos portáteis até a geração estacionária, incluindo o uso automotivo. Embora o seu elevado
custo ainda inviabilize a aplicação desses dispositivos em larga escala, a diminuição do custo, do peso e o
aumento da eficiência, propiciará um rápido crescimento na utilização das células a combustível.
A tecnologia das células a combustível é divida em duas categorias as células a combustível
eletroquímicas (também chamadas de convencionais) e as biocélulas a combustível (ou células a combustível
biológicas), tendo estas últimas recebido bastante atenção nos últimos 3 anos. O presente trabalho visa
apresentar e comparar a tecnologia das biocélulas a combustível (especificamente das células a combustível
enzimáticas) com as células a combustível eletroquímicas.
Existem dois tipos básicos de biocélulas a combustível, que se distinguem pelo biocatalisador utilizado:
as células a combustível microbianas (MFC – Microbial Fuel Cell) e as células a combustível enzimáticas
(EFC – Enzymatic Fuel Cell), que utilizam como biocatalisadores bactérias e enzimas, respectivamente. O
princípio de funcionamento delas é similar ao das células a combustível eletroquímicas. Contudo é
importante ressaltar que, além da enzima a EFC, necessita de co-fatores (por exemplo: NAD+, NADP+ e
FAD) e de mediadores, que funcionam como transportadores biológicos de elétrons entre as enzimas e o
ânodo. No caso da EFC, as enzimas oxidam o combustível através da redução do NAD+ que, em seguida,
reduz o mediador que fornece os elétrons para a superfície do anodo de ouro (que são conduzidos a uma
corrente externa, gerando eletricidade, (ver figura 1) e gerando íons H+, que serão transportados através da
membrana até o catodo onde reagem com O2 formando H2O. Na literatura encontra-se que fatores como:
variação do pH, número de membranas e resistência influenciam o desempenho da EFC.
Figura 1: Esquema de funcionamento do ânodo de uma EFC alimentada por lactato que utiliza a enzima LDH com uma
camada única de PQQ/NAD+ (mediador/co-fator) e o eletrodo de ouro [2]
Para uma comparação adequada das células a combustível, consideraremos uma PEMFC (Proton
Exchange Membrane Fuel Cell – célula a combustível de membrana de permuta protônica) como referência.
Devido ao fato dessa possuir uma configuração semelhante ao de uma EFC, pois ambas utilizam membrana
de permuta protônica como eletrólito e o cátodo está em contato direto com o ar (onde acontece a reação de
redução do oxigênio).
A diferença estrutural básica entre as duas tecnologias é a utilização de enzimas na EFC ao invés dos
dispendiosos catalisadores empregados nos ânodos da PEMFC. Além disso, a EFC pode ser construída sem
utilizar a membrana protônica (permitindo uma diminuição considerável no custo do dispositivo, sem
prejuízo da eficiência da mesma), conseguem realizara oxidação direta de combustíveis líquidos, como o
etanol, metanol, glicose (importante para aparelhos implantados no corpo humano), assim como o
aproveitamento de resíduos, como matéria orgânica em decomposição, lixo, resíduos urbanos e industriais. A
tabela 1 compara a PEMFC com a EFC.
Tabela 1: Comparação das propriedades entre a PEMFC e a EFC
PEMFC [5]
EFC [6]
Combustível
Temperatura
pH
H2
80 ºC
0,70 V – 600 mA/cm
Etanol, Metanol
20 ºC
7,15
Saída
Densidade de
Potência
Pressão
2
0,60 V – 1,93 mA/cm 2
420 mW/cm2
0,285 MPa
1,16 mW/cm2
Ambiente
ADH (“alcohol
dehydrogenase”)
Catalisador
Pt ou Pt/Ru
As células a combustível eletroquímicas possuem um maior campo de aplicação, uma maior densidade
de potência e encontram-se num estágio mais avançado de desenvolvimento que as biológicas, embora ainda
existam muitos desafios tecnológicos que dificultem a disseminação comercial das mesmas. Por outro lado, a
EFC é uma opção interessante para aplicações como: geração descentralizada (devido a versatilidade de
combustíveis e principalmente por utilizar etanol diretamente), acionamento de robôs (principalmente em
robôs implantáveis utilizados na medicina já que pode gerar energia a partir da glicose presente no sangue) e
acionamento de equipamentos portáteis.
No que diz respeito ao custo a EFC é mais interessante, pois uma PEMFC pode ser adquirida por US$
4000/kW, sendo o catalisador e a membrana responsáveis por cerca de 70 % deste valor, enquanto o custo da
EFC é estimado em torno de US$ 2000/kW de acordo com dados da literatura, pois de acordo com o
mencionado acima, além de utilizar enzimas como biocatalisadores (ao invés de Pt), pode ser fabricada sem
membrana.
Conclusão
De acordo com a análise feita acima uma alternativa para viabilizar o uso de células a combustível em
algumas aplicações específicas, consiste na utilização de biocélulas a combustível (especificamente da EFC),
que apresentam menores custos e permitem a utilização de combustíveis renováveis e aproveitamento de
resíduos.
Entretanto apesar de ser uma tecnologia interessante em diversos aspectos não se deve esquecer que é
necessário evoluir a pesquisa e desenvolvimento da EFC, principalmente no que diz respeito a
miniaturização e ensaios de vida útil do dispositivo, para uma futura comercialização deste produto.
Referências Bibliográficas
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