Uma pesquisa realizada com participação de pesquisadores do CINE traz um importante avanço para aprimorar as células a combustível de óxidos sólidos (SOFCs na sigla em inglês). Esses dispositivos podem se tornar cada vez mais importantes no contexto da transição energética por serem muito eficientes para gerar eletricidade a partir de um combustível, com nula ou baixa emissão de carbono. A tecnologia já é utilizada, por exemplo, no carro elétrico a etanol, cujo protótipo foi lançado pela montadora Nissan em 2016. “Esta pesquisa dá mais um passo na direção de comercialização das células a combustível de óxidos sólidos”, diz Fabio Fonseca pesquisador do IPEN e membro do CINE que participou do trabalho. “Nossa contribuição colabora no sentido de aumentar a sua durabilidade e desempenho”, completa.

As SOFCs são formadas por camadas sólidas de diversos materiais, geralmente da família dos 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, os quais viajam pelo eletrólito 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, como o etanol.

Apesar da sua alta eficiência na conversão da energia química do hidrogênio em energia elétrica, as SOFCs ainda apresentam algumas limitações, principalmente com relação à sua estabilidade, relacionada a 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, os quais  pioram o desempenho dos dispositivos ao longo do tempo e reduzem a sua vida útil.

Para resolver esse problema, Fonseca e os outros autores do trabalho 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 nm de espessura cada um, 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% em relação às melhores células desse tipo encontradas na literatura científica. Essa característica permitiria diminuir as dimensões da célula e baixar o seu consumo de hidrogênio sem reduzir a corrente elétrica obtida. Além disso, os autores do trabalho verificaram, mediante um teste de 1.500 horas, que a SOFC não sofreu degradação significativa. “Este trabalho mostra como os materiais óxidos podem ser controlados de forma precisa para construir estruturas que contribuem para melhorar o desempenho de células a combustível SOFC”, conclui Fabio Fonseca.

O trabalho foi realizado no contexto do programa Metano a Produtos do CINE, dentro do doutorado em Tecnologia Nuclear de Marina Machado Livinalli, realizado com orientação do professor Fonseca no IPEN/ USP, com período sanduíche no Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC), na Espanha. A pesquisa reuniu a expertise do grupo do IPEN em fabricação e testes de SOFC com a experiência do grupo espanhol em deposição a laser pulsado e no uso dessa técnica em SOFCs de alto desempenho.

A pesquisa foi financiada pela FAPESP e pelo programa Horizon 2020 da União Europeia e foi reportada em artigo publicado no Journal of Materials Chemistry A.

Referência do artigo científico:

Functional thin films as cathode/electrolyte interlayers: a strategy to enhance the performance and durability of solid oxide fuel cells. Marina Machado, Federico Baiutti, Lucile Bernadet, Alex Morata, Marc Nuñez, Jan Pieter Ouweltjes,  Fabio Coral Fonseca, Marc Torrell  and  Albert Tarancón. J. Mater. Chem. A, 2022,10, 17317-17325. https://doi.org/10.1039/d2ta03641j.

Autores do artigo que são membros do CINE: Marina Machado (doutoranda no momento da pesquisa) e Fabio Coral Fonseca (pesquisador no IPEN).