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Inovação tecnológica aumenta eficiência em células a combustível

Publicado em 27 março 2008

O químico Marcelo Carmo, do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) do Estado de São Paulo, desenvolveu em seu doutorado um estudo de materiais poliméricos que auxiliam a troca de prótons dentro da célula a combustível, aumentando a eficiência do processo eletroquímico em aproximadamente 60%. Os polímeros são macromoléculas formadas pela união de substâncias simples, que formam diferentes materiais - no caso desta pesquisa, diversos tipos de plástico. E a célula a combustível é uma tecnologia que utiliza o hidrogênio e o oxigênio para gerar eletricidade, ou seja, uma espécie de bateria elétrica. Ela é vista como um possível futuro das baterias de celulares, notebooks, mp3 players, entre outras aplicações.

Por serem alimentadas com um combustível externo, as células a combustível, ao contrário das pilhas e baterias convencionais, têm autonomia e potência muito maiores. Além disto, esta é uma tecnologia mais limpa, pois não descarta metais pesados, mas simplesmente água, se o combustível for hidrogênio e oxigênio; ou água e CO2, se alimentada com metanol e oxigênio. Por isso, atualmente existe muita pesquisa em torno desta nova opção tecnológica. Em parceria do IPT e do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen), a partir do estudo de Carmo, pesquisadores inseriram cadeias poliméricas condutoras de prótons em uma superfície de carbono que contém nanopartículas de um metal nobre (platina e/ou rutênio), o catalisador (ou facilitador) da reação.

"As pesquisas procuram focar em pontos distintos do sistema e entender como alterações em cada um deles alteram a eficiência do mesmo. No nosso caso, procuramos facilitar a troca protônica ou seja, de prótons, uma das variáveis do sistema", conta Carmo, autor da tese de doutorado que resultou nas inovações. A célula a combustível do tipo PEM (do inglês Próton Exchange Membrane) utiliza uma membrana polimérica condutora de prótons. Em cada lado, é acoplado um eletrodo, condutor através do qual se fornece ou se retira corrente elétrica de um sistema, onde ocorrem as reações. O sistema é fechado com as placas de grafite (carbono) que atuam como distribuidores dos combustíveis reagentes e como coletores da corrente elétrica produzida pelas reações eletroquímicas. Por fim, o sistema é ligado eletricamente a um dispositivo externo, fechando o circuito elétrico.

"Numa bateria ou pilha comum, o eletrólito condutor elétrico é uma solução líquida, enquanto na célula a combustível do tipo PEM, ele é um polímero, uma 'folha de plástico', que quando hidratado, só conduz os prótons. A membrana é um isolante, para que os eletrodos não se encostem e o sistema entre em curto, por isso ela só deve permitir a troca de prótons. A ativação da superfície do carbono, suporte do catalisador, com as cadeias poliméricas, facilita exatamente esse deslocamento dos prótons, devido às suas propriedades condutoras de prótons", explica o pesquisador.

A troca protônica é um dos pontos chave do sistema. Os prótons produzidos na superfície do catalisador precisam ser eficientemente conduzidos até a membrana. Quanto mais rápido eles completarem esse trajeto, mais espaço livre haverá para que novas reações aconteçam no catalisador, resultando em maior rendimento. Os prótons, que ficam ligados à platina, precisam se deslocar ou serem conduzidos para o outro lado da célula, a fim de participar de uma segunda reação, com o oxigênio, para dar continuidade ao processo de funcionamento da célula. Como produto final, obtém-se água e calor (no caso da utilização de hidrogênio e oxigênio) e água, dióxido de carbono e calor (no caso de metanol e oxigênio).

Marcelo Carmo acredita que o primeiro nicho de mercado que as células a combustível irão atingir serão o de dispositivos portáteis, como laptops, mp3 players e celulares, pois o custo de uma bateria convencional e o de uma célula são semelhantes. E esta última tem outras vantagens, como a potência e a durabilidade da carga que são muito maiores. Os grandes fabricantes já pesquisam a tecnologia, especialmente pelo fato de os aparelhos terem cada vez mais aplicativos, memória, displays coloridos, e o consumo de bateria ser muito maior. Existe, portanto, a demanda por sistemas mais eficientes.

Samsung, Toshiba, HP, entre outros, já possuem vários protótipos de aparelhos que funcionam usando células de combustível. O maior desafio para os fabricantes é a segurança, já que laptops, por exemplo, esquentam bastante e a célula a combustível contém metanol, o que gera risco de incêndio. Há também, uma busca por uma solução para o vapor de água, o produto final da reação eletroquímica. As empresas acreditam que em 2009 já existam no mercado aparelhos com a tecnologia. A Samsung tem um modelo de computador portátil em estudo funcionando com células a combustível que pode funcionar por um mês sem ser recarregado.

O estudo brasileiro com polímeros gerou duas patentes nacionais e uma internacional recentemente depositada no Patent Cooperation Treaty (Tratado de Cooperação em Matéria de Patentes). Participaram desse trabalho o IPT (por meio do programa Novos Talentos), e o Ipen, em colaboração com o professor Marcelo Linardi, da Universidade de São Paulo, além da parceria com a Universidade Técnica de Darmstadt e o Instituto do Hidrogênio para Tecnologia Aplicada (ambos da Alemanha). O estudo integra o Programa de Investigação Tecnológica (PIT) da Fapesp e o "Pró-H2", Programa Brasileiro de Células a Combustível, do Ministério de Ciência e Tecnologia.