Células a combustível para placas bipolares em eletromobilidade
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CÉLULAS A COMBUSTÍVEL: MATERIAIS PARA PLACAS BIPOLARES DE ALTO DESEMPENHO

A célula a combustível como alternativa à tecnologia de bateria em veículos eletrificados está ganhando importância. Isso está acontecendo também em consequência da Estratégia Nacional de Hidrogênio do Governo Federal Alemão de junho de 2020. No caso das células a combustível orientadas para a eletromobilidade é fundamental que haja uma alta eficiência aliada a uma construção compacta. Para ambos os aspectos, o material siderúrgico das placas bipolares instaladas desempenha uma papel decisivo. Para essa utilização, a Waelzholz fornece aços relaminados de precisão de alta qualidade a pioneiros de aplicações móveis de células a combustível.

“Com nossos materiais para placas bipolares de células a combustível em aplicações móveis, estamos inseridos em uma área de conflito das propriedades eficiência, espessura, estabilidade e conformabilidade”, afirma Jan Ullosat, engenheiro de materiais na Waelzholz, descrevendo as exigências em relação ao aço para esse campo de funcionalidades. Em automóveis, os chamados stacks, ou as pilhas de células, dispõem de aproximadamente 400 células para o fornecimento da potência necessária. As células são separadas entre si por placas bipolares, de maneira que cada célula tenha respectivamente uma placa bipolar a sua direita e uma à esquerda. Cada uma dessas placas bipolares é composta de duas chapas. “Consequentemente, falamos de aproximadamente 800 cortes de chapas que são utilizados em uma célula a combustível para um automóvel. Como, em um veículo, o local destinado a transmissões é restrito, as placas precisam ter a menor espessura realizável para que a construção total ocupe o menor espaço possível”, explica Ralf Sauer do departamento de Vendas.

 

A MELHOR ESTABILIDADE E CONFORMABILIDADE GRAÇAS A PROCESSOS DE FABRICAÇÃO APRIMORADOS

O significado de “a menor espessura realizável” é explicado por Ullosat: “Para essa aplicação, somos capazes de fabricar aços relaminados inoxidáveis de precisão de baixíssima espessura numa amplitude de 75 a 100 µm. Comparativamente, isso corresponde a mais ou menos a espessura de um cabelo humano. Nisso, o grande desafio é combinar duas exigências. Por um lado, o material precisa ter uma boa conformabilidade, pois as placas bipolares dispõem de uma complexa estrutura de canais para o fluxo de gás, chamados flow fields. Por outro lado, é necessária uma elevada estabilidade de forma das placas, que é essencialmente determinada pelo nosso material e pelo desenho das placas dos nossos clientes”. A estabilidade de forma é relevante especialmente para o emprego em aplicações móveis, pois toda a construção de células a combustível sofre um forte desgaste devido aos tremores e vibrações durante a operação de condução. Ullosat prossegue: “Placas bipolares possuem uma geometria muito complexa, que asseguram a estabilidade durante sua utilização posterior. Para a realização dessas geometrias, nossos clientes precisam de materiais com uma robustez superior para os complexos processos de conformação. O caminho para isso é um roteamento de produção com processos de tratamento térmico, especialmente coordenados, para alcançar propriedades de conformação excelentes dos aços relaminados de precisão de baixíssima espessura. Nosso cliente recebe um material absolutamente isotrópico, criado literalmente para complexos processos de conformação mesmo com raios de dobra mínimos”. Outra exigência associada à conformação e à aplicação posterior é a planicidade: placas bipolares possuem uma estrutura multidimensional com canais finíssimos de fluxo para o transporte de líquidos e de gases. Uma boa planicidade permite que os canais sejam instalados de maneira exata e precisa ao longo de todo o formato da placa.

 

AÇO INOXIDÁVEL COM OS MAIS ALTOS REQUISITOS DE PUREZA

A Waelzholz utiliza uma qualidade especial de aço inoxidável para a aplicação em células a combustível. Para alcançar um desempenho elétrico ainda melhor, essa categoria de aço é revestida pelos clientes. Ullosat elenca as vantagens desse material da Waelzholz: “Cada revestimento em detalhe é uma questão individual do cliente e exerce uma forte influência sobre o desempenho da célula a combustível. Com relação à topografia da superfície, dispomos com nosso material e nossa competência de todas as possibilidades. Podemos ajustar a rugosidade da superfície do material exatamente do jeito que o cliente necessita para o seu revestimento”. E, caso o revestimento seja danificado durante os processos de conformação ou em sua utilização posterior, o material inoxidável da Waelzholz impede a corrosão das placas bipolares. Ullosat continua: “Esse é um importante aspecto de segurança, pois se as placas oxidassem totalmente, poderia ocorrer a suspensão de funcionamento de uma célula em particular, o que acarretaria uma perda total de todo o stack de células a combustível”. Ralf Sauer, especialista de Vendas, complementa com outra vantagem do material: “Os fabricantes de células a combustível esperam de nós materiais com um grau extremamente elevado de pureza. A razão é que inclusões poderiam prejudicar as propriedades de conformabilidade desse material de ínfimo espectro de espessura. Com uma rigorosa análise altamente minuciosa da matéria-prima que nos é fornecida, asseguramos da melhor forma possível o grau de pureza requisitado”.

 

COMPETÊNCIA EM ASSESSORIA E SERVIÇOS DE ENGENHARIA

“A maioria dos nossos clientes nos incluem já num estágio inicial do seu processo de desenvolvimento de produto”, afirma Ullosat e prossegue: “Com nossa experiência, oferecemos a eles apoio no aperfeiçoamento dos seus respectivos projetos e no aproveitamento do maior número possível de graus de liberdade. Isso tem uma importância fundamental, sobretudo agora, nessa fase pioneira das células a combustível em aplicações móveis. Nesse contexto, nosso mais valioso know-how, além do domínio dos nossos processos centrais, é o conhecimento profundo de todos os procedimentos anteriores e posteriores dessa cadeia de criação de valor. Assim, geramos potenciais múltiplos que oferecem um real valor agregado ao cliente”. E, Sauer acrescenta: “Nosso serviço já começa na disponibilização dos primeiros materiais para ensaios. Temos em estoque de rolos para testes nas mais diversas variantes de material para a aplicação em placas bipolares. Com isso, havendo interesse, podemos disponibilizar imediatamente o material. Tempo é um importante fator para os nossos clientes, pois o Programa Nacional de Hidrogênio incentivará a demanda de soluções móveis de células a combustível”.

 

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CÉLULA A COMBUSTÍVEL: EXPLICAÇÃO SIMPLIFICADA

O hidrogênio é um excelente portador de energia, cujo potencial pode ser aproveitado com o auxílio da célula a combustível. Quem não se lembra das explosões de oxidrogênio das aulas de química, nas quais a mistura de hidrogênio e oxigênio é inflamada com uma faísca. Átomos de hidrogênio e oxigênio se ligam em uma reação de cadeia explosiva, gerando o produto água. Existe mais energia química armazenada nos gases oxigênio e hidrogênio do que na água e essa diferença energética é liberada durante a reação. Justamente esse fator é a ideia central da célula a combustível: Por meio da reação de hidrogênio e oxigênio, realizada de maneira controlada e lenta resultando em água, ocorre a liberação de energia, que pode ser aproveitada como energia elétrica, por exemplo, para o acionamento de um motor elétrico.

Isso se realiza da seguinte maneira (*esquema): Um elemento de célula a combustível é composto por duas câmaras que são separadas por uma membrana fina. Na câmara esquerda é injetado H2 (hidrogênio) e na direita O2 (oxigênio). No lado do ânodo (esquerdo), o hidrogênio, sob a atuação de um catalisador, é quebrado em dois prótons (carga +) e dois elétrons (carga -). O interessante é que os prótons (íons H+) são capazes de migrar através dos poros da membrana para o lado direito (lado do cátodo). Ao mesmo tempo, a membrana forma um isolante elétrico para os elétrons que, por isso, não conseguem passar. Eles precisam percorrer outro caminho: Devido à diferença de potencial, que se dá pela migração de prótons do lado esquerdo para o direito, os elétrons também fluem para o cátodo do lado direito, porém através de um circuito elétrico externo. A esse circuito elétrico está conectado um consumidor elétrico em funcionamento, que pode ser um motor elétrico. No cátodo, o oxigênio injetado (O2) é reduzido por meio da absorção de elétrons, formando água H2O com os prótons (íons H+).

*Esquema: Ilustração do elemento de célula a combustível

Se agruparmos muitas dessas células a combustível, obteremos uma pilha de células, o chamado stack. Nos automóveis são instalados stacks com cerca de 400 dessas células.