Material nanoestruturado melhora o desempenho de células a combustível

Cientistas do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen) e colaboradores de instituições da Europa desenvolveram uma nova estratégia para aprimorar as células a combustível de óxidos sólidos. Esses dispositivos, conhecidos pela sigla em inglês “SOFC”, de solid oxide fuel cell, são capazes de gerar eletricidade a partir de hidrogênio ou de outros combustíveis com nula ou baixa emissão de carbono.

“Esta pesquisa dá mais um passo na direção da comercialização das SOFCs”, diz Fabio Fonseca, pesquisador do Ipen e um dos autores principais do trabalho. “Nossa contribuição colabora no sentido de aumentar a durabilidade e o desempenho da célula a combustível.”

O estudo foi feito no Centro de Inovação em Novas Energias (CINE), um Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE) constituído por FAPESP e Shell na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp).

Segundo os autores, as SOFCs podem se tornar cada vez mais relevantes no contexto da transição energética. A tecnologia já é usada, por exemplo, no carro elétrico a etanol, cujo protótipo foi lançado pela Nissan em 2016, e pode se tornar cada vez mais solicitada pela necessidade de reduzir as emissões de carbono – o principal agente das mudanças climáticas.

Essas células a combustível são formadas por camadas sólidas de vários materiais, geralmente por óxidos. Cada camada cumpre uma função específica dentro do objetivo final de promover as reações eletroquímicas que produzem a desejada corrente elétrica. Em grandes linhas, o cátodo gera íons de oxigênio, que viajam pelo eletrólito, normalmente formado por material cerâmico, até o ânodo, onde reagem com hidrogênio gerando eletricidade. As células podem ser abastecidas diretamente com hidrogênio ou com moléculas que contêm hidrogênio na composição do etanol.

Apesar de sua alta eficiência na conversão da energia química do hidrogênio em energia elétrica, as SOFCs ainda apresentam algumas limitações, principalmente em relação à estabilidade, que depende em grande parte de fenômenos que ocorrem nas interfaces entre as camadas. Particularmente, na interface entre o cátodo e o eletrólito, a troca de determinados íons promove a formação de compostos químicos indesejados que promovem o envelhecimento das SOFCs, afetando o desempenho ao longo do tempo e reduzindo a vida útil.

Para resolver o problema, os autores do trabalho, reportado no Journal of Materials Chemistry A, desenvolveram cuidadosamente uma nova camada capaz de gerar no cátodo as reações eletroquímicas necessárias e, ao mesmo tempo, impedir trocas indesejadas com o eletrólito.

Formada por dois filmes de materiais óxidos, de 200 nanômetros de espessura cada, a camada foi adicionada durante a montagem da célula a combustível usando a técnica de laser pulsado. “Essa técnica avançada é possivelmente a que permite um controle mais eficaz da construção de camadas de óxidos complexos”, diz Fonseca. “Com ela fizemos uma obra de engenharia de materiais, na qual conseguimos controlar com precisão o arranjo dos átomos nos filmes”, completa.

A introdução da nova camada na SOFC resultou em um aumento da densidade de potência de 35% com relação às células desse tipo encontradas na literatura científica. “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”, explica o pesquisador.

O artigo Functional thin films as cathode/electrolyte interlayers: a strategy to enhance the performance and durability of solid oxide fuel cells pode ser lido em: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/TA/D2TA03641J.

* Com informações do CINE, um Centro de Pesquisa em Engenharia apoiado pela FAPESP.