Questão 124 do ENEM 2021

2º dia · Ciências da Natureza

O emprego de células de combustível a hidrogênio pode ser uma tecnologia adequada ao transporte automotivo. O quadro apresenta características de cinco tecnologias mais proeminentes de células de combustível.

Tipo de célula de combustívelTemperatura operacional (°C)EletrólitoSemirreações nos eletrodos
AFC90 - 100Hidróxido de potássio aquoso\ce{H2 + 2 OH- -> 2 H2O + 2 e-}
\frac{1}{2}\ce{O2 + H2O + 2 e- -> 2 OH-}
MSFC600 - 1 000Carbonatos de lítio, sódio e/ou potássio fundidos\ce{H2 + CO3^{2-} -> H2O + CO2 + 2 e-}
\frac{1}{2}\ce{O2 + CO2 + 2 e- -> CO3^{2-}}
PEM60 - 100Ácido poliperfluorossulfônico sólido\ce{H2 -> 2 H+ + 2 e-}
\frac{1}{2}\ce{O2 + 2 H+ + 2 e- -> H2O}
PAFC175 - 200Ácido fosfórico líquido
SOFC600 - 1 000Óxido de zircônio(IV) sólido

Testes operacionais com esses tipos de células têm indicado que as melhores alternativas para veículos são as que operam em baixos níveis de energia térmica, são formadas por membranas de eletrólitos poliméricos e ocorrem em meio ácido.

THOMAS, S; ZALBOWITZ, M. Full cells: green power. Los Alamos National Laboratory. Los Alamos, NM, 1999 (adaptado).

A tecnologia testada mais adequada para o emprego em veículos automotivos é a célula de combustível

  1. A
    AFC.
  2. B
    MSFC.
  3. C
    PEM.
  4. D
    PAFC.
  5. E
    SOFC.
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Resolução comentada

O enunciado dá três critérios para a melhor célula em veículos: (1) baixa energia térmica, ou seja, baixa temperatura de operação; (2) eletrólito formado por membrana polimérica; (3) meio ácido. Basta aplicar cada critério ao quadro.

  1. Temperatura baixa. MSFC e SOFC operam entre 600 e 1 000 °C, o que é muito alto e elimina as duas. Sobram AFC (90–100 °C), PEM (60–100 °C) e PAFC (175–200 °C).

  2. Eletrólito polimérico. O ácido poliperfluorossulfônico é um polímero sólido, e ele aparece na PEM. A AFC usa hidróxido de potássio aquoso, que é uma solução. A PAFC usa ácido fosfórico líquido, que não é polímero.

  3. Meio ácido. Nas semirreações da PEM aparece \ce{H+} (o \ce{H2} vira \ce{2 H+} e o \ce{O2} consome \ce{H+}), o que caracteriza meio ácido. Na AFC aparece \ce{OH-}, que indica meio básico.

Só a PEM atende aos três critérios ao mesmo tempo: opera de 60 a 100 °C, tem membrana polimérica e funciona em meio ácido.

Alternativa C.

Pegadinha: A alternativa D engana por ser ácida, mas o ácido fosfórico é líquido (não polimérico) e a temperatura é maior que a da PEM.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • AA AFC opera em baixa temperatura, mas usa eletrólito aquoso de KOH (meio básico, com \ce{OH-}), não polimérico nem ácido.
  • BA MSFC opera a 600–1 000 °C e usa carbonatos fundidos, sem membrana polimérica nem meio ácido.
  • DA PAFC é ácida, mas opera a 175–200 °C, bem mais que a PEM, e seu eletrólito é ácido fosfórico líquido, não polímero.
  • EA SOFC opera a 600–1 000 °C e seu eletrólito é um óxido sólido, não um polímero.

Assuntos: células de combustível, eletroquímica, interpretação de quadro.

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