Células a combustível ganham 35% de potência com engenharia atômica

Com informações do CINE e INPE - 19/01/2023

O grande destaque da inovação está na técnica de engenharia de materiais em nível atômico usada para criar as nanocamadas.
[Imagem: Marina Machado et al. - 10.1039/D2TA03641J]

Células a combustível de óxido sólido

Pesquisadores brasileiros conseguiram um aumento da densidade de potência de 35% em um tipo de célula a combustível já usada em protótipos de veículos.

As células a combustível produzem eletricidade diretamente a partir de hidrogênio ou de outros combustíveis, como o etanol, permitindo que você tenha um "carro elétrico de encher o tanque", não dependendo de baterias que precisem ser recarregadas.

Trabalhando em conjunto com uma equipe do CINE (Centro de Inovação em Novas Energias, sediado na Unicamp) e de instituições na Europa, a pesquisadora Marina Machado trabalhou especificamente com as células a combustível de óxido sólido, mais conhecidas pela sigla em inglês SOFC (Solid Oxide Fuel Cell).

As SOFCs estão se tornando cada vez mais relevantes no contexto da transição energética, tendo sido a tecnologia escolhida pela montadora Nissan para lançar seu protótipo de carro elétrico a etanol, em 2016.

"Nossa contribuição colabora no sentido de aumentar a durabilidade e o desempenho da célula a combustível," disse Fábio Fonseca, do IPEN (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares) e membro da equipe. "Esta pesquisa dá mais um passo na direção da comercialização das SOFCs."

Engenharia atômica

A inovação desenvolvida por Marina e seus colegas envolve a adição à célula de uma camada dupla, em escala nanométrica, de materiais óxidos. Cada camada tem apenas 200 nanômetros de espessura, ambas aplicadas pela técnica de laser pulsado.

"Essa técnica avançada é possivelmente a que permite um controle mais eficaz da construção de camadas de óxidos complexos," disse Fábio. "Com ela fizemos uma obra de engenharia de materiais, na qual conseguimos controlar com precisão o arranjo dos átomos nos filmes."

A adição dessa camada dupla lidou com uma das principais deficiências das células a combustível de óxido sólido: A baixa estabilidade.

O protótipo equipado com SOFC tem uma autonomia similar à dos veículos a combustão.
[Imagem: Nissan/Divulgação]

Ganhos de potência e durabilidade

Estas células a combustível são tipicamente formadas por várias camadas sólidas de vários óxidos. Cada camada cumpre uma função específica dentro do objetivo final de promover as reações eletroquímicas que produzem corrente elétrica. Em linhas gerais, o cátodo gera íons de oxigênio, que viajam pelo eletrólito, normalmente formado por um material cerâmico, até o ânodo, onde reagem com hidrogênio gerando eletricidade. Basta então abastecer a célula com hidrogênio - ou com moléculas que contêm hidrogênio, como no caso do etanol - e coletar a eletricidade.

Contudo, a troca de íons na interface entre o cátodo e o eletrólito gera compostos químicos indesejados, que fazem as SOFCs apresentarem queda no desempenho ao longo do tempo, reduzindo sua vida útil.

A camada dupla desenvolvida agora atua justamente nesse ponto, garantindo que as reações eletroquímicas necessárias aconteçam mas, ao mesmo tempo, impedindo trocas indesejadas com o eletrólito, eliminando em larga medida os compostos indesejados.

O resultado é um ganho de potência superior a um terço em relação a todos os protótipos já apresentados até agora, além de um ganho significativo em estabilidade: O protótipo resistiu a 1.500 horas de testes sem sofrer degradação significativa.

"O aumento de potência faz com que possamos atingir um determinado desempenho para a mesma área da célula. Portanto, conseguimos diminuir as dimensões da célula a combustível e diminuir o consumo de combustível, o hidrogênio, obtendo a mesma corrente elétrica," finalizou Fábio.

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