p As células de combustível não são particularmente conhecidas por sua praticidade e acessibilidade, mas isso pode apenas ter mudado. Há uma nova célula que funciona com combustível barato em temperaturas comparáveis ​​aos motores de automóveis e que reduz os custos de materiais. p Embora a célula esteja no laboratório, tem alto potencial para algum dia fornecer energia elétrica a casas e talvez carros, dizem os pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia que lideraram seu desenvolvimento. Em um novo estudo na revista Nature Energy os pesquisadores detalharam como eles reimaginaram toda a célula de combustível com a ajuda de um catalisador de combustível recém-inventado.

p O catalisador dispensou o combustível de hidrogênio caro ao fazer o seu próprio barato, metano prontamente disponível. E melhorias em toda a célula resfriaram dramaticamente as agitadas temperaturas de operação que são habituais em células de combustível de metano, uma conquista notável da engenharia.

p As células a combustível de metano geralmente requerem temperaturas de 750 a 1, 000 graus Celsius para funcionar. Este novo precisa de apenas cerca de 500, que é ainda um pouco mais frio do que os motores de combustão de automóveis, que funcionam a cerca de 600 graus Celsius.

p Essa temperatura mais baixa pode desencadear uma economia em cascata de custos na tecnologia auxiliar necessária para operar uma célula de combustível, potencialmente empurrando a nova célula para a viabilidade comercial. Os pesquisadores estão confiantes de que os engenheiros podem projetar unidades de energia elétrica em torno desta célula de combustível com um esforço razoável, algo que escapou às células de combustível de metano anteriores.

p 'Sensação em nosso mundo'

p "Nossa célula poderia ser simples, sistema geral robusto que usa aço inoxidável barato para fazer interconectores, "disse Meilin Liu, que liderou o estudo e é professor de regentes na Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Georgia Tech. Os interconectores são peças que ajudam a reunir muitas células de combustível em uma pilha, ou unidade funcional.

p "Acima de 750 graus Celsius, nenhum metal suportaria a temperatura sem oxidação, então você teria muitos problemas para obter materiais, e seriam extremamente caros e frágeis, e contaminar a célula, "Liu disse.

p "Baixar a temperatura para 500 graus Celsius é uma sensação em nosso mundo. Muito poucas pessoas ainda tentaram, "disse Ben deGlee, um assistente de pesquisa de pós-graduação no laboratório de Liu e um dos primeiros autores do estudo. "Quando você chega tão baixo, torna o trabalho do engenheiro que projeta a pilha e as tecnologias conectadas muito mais fácil. "

p A nova célula também elimina a necessidade de um importante dispositivo auxiliar denominado reformador de vapor, que normalmente é necessário para converter metano e água em combustível de hidrogênio.

p Liu, deGlee, co-primeiro autor Yu Chen, que é um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Liu, e o co-primeiro autor Yu Tang, da University of Kansas, publicou os resultados de sua pesquisa em 29 de outubro, 2018. Seu trabalho foi financiado pelo Office of Basic Energy Sciences e pela Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), ambos no Departamento de Energia dos EUA. Também foi financiado pela Divisão de Química da National Science Foundation.

p 'Geração distribuída'

p A pesquisa baseou-se em um tipo de célula a combustível com alto potencial de viabilidade comercial, a célula de combustível de óxido sólido (SOFC). SOFCs são conhecidos por sua versatilidade nos combustíveis que podem usar.

p Se for para o mercado, embora a nova célula possa não fornecer energia aos automóveis por um tempo, poderia pousar mais cedo em porões, como parte de um sistema mais descentralizado, limpador, rede de energia elétrica mais barata. A pilha de células de combustível em si seria do tamanho de uma caixa de sapatos, além de tecnologia auxiliar para fazê-lo funcionar.

p "A esperança é que você possa instalar este dispositivo como um aquecedor de água sem tanque. Ele usaria gás natural para fornecer energia à sua casa, "Isso salvaria a sociedade e a indústria do enorme custo de novas usinas e grandes expansões da rede elétrica", disse Liu.

p "Isso tornaria residências e empresas mais independentes de energia, "Liu disse." Esse tipo de sistema seria chamado de geração distribuída, e nossos patrocinadores querem desenvolver isso. "

p Hidrogênio caseiro

p O hidrogênio é o melhor combustível para alimentar células de combustível, mas seu custo é exorbitante. Os pesquisadores descobriram como converter metano em hidrogênio na própria célula de combustível por meio do novo catalisador, que é feito com cério, níquel e rutênio e tem a fórmula química Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2, CNR abreviado.

p Quando as moléculas de metano e água entram em contato com o catalisador e o calor, o níquel cliva quimicamente a molécula de metano. O rutênio faz o mesmo com a água. As partes resultantes voltam juntas como aquele desejável hidrogênio (H2) e monóxido de carbono (CO), que os pesquisadores surpreendentemente fizeram bom uso.

p "CO causa problemas de desempenho na maioria das células de combustível, mas aqui, estamos usando como combustível, "Chen disse.

p Fazendo eletricidade

p H2 e CO continuam para outras camadas de catalisador que compõem o ânodo, a parte da célula de combustível que arranca os elétrons, tornando o monóxido de carbono e íons de hidrogênio carregados positivamente. Os elétrons viajam por meio de um fio - criando o fluxo de eletricidade - em direção ao cátodo.

p Lá, oxigênio, que tem muita fome de elétrons, suga os elétrons, fechando o circuito elétrico e tornando-se íons O2-. O hidrogênio ionizado e o oxigênio se encontram e saem do sistema como condensação de água; o monóxido de carbono e os íons de oxigênio se encontram para se tornarem dióxido de carbono puro, que poderia ser capturado.

p Pela energia produzida, a tecnologia de células de combustível cria muito, muito menos dióxido de carbono do que motores de combustão.

p Em algumas células de combustível, a água nas reações iniciais deve ser introduzida de fora. Nesta nova célula de combustível, é reabastecido na última fase de reação, que forma a água que volta para reagir com o metano.

p Catalisadores convergem

p O novo catalisador, CNR, fabricado por colaboradores de pesquisa da Universidade de Kansas, é a camada externa do lado do ânodo da célula e funciona como um protetor contra a deterioração, estendendo a vida útil da célula. O CNR tem fortes catalisadores de coorte nas camadas internas e do outro lado da célula, o cátodo.

p Na extremidade do cátodo, a reação do oxigênio e o movimento através do sistema são geralmente notoriamente lentos, mas o laboratório de Liu acelerou recentemente para aumentar a produção de eletricidade usando o que é chamado de cátodos de nanofibras, que o laboratório de Liu desenvolveu em um estudo anterior. (Veja o estudo anterior:Um catalisador de nanofibra de perovskita dupla personalizado permite a evolução de oxigênio ultrarrápida.)

p "As estruturas desses vários catalisadores, bem como os cátodos de nanofibras, todos juntos nos permitiram baixar a temperatura operacional, "Chen disse.