Avaliação do uso de polímeros hidrocarbônicos sulfonados na preparação de camada de difusão gasosa e catalítica de célula a combustível tipo PEMFC

Abstract

Neste trabalho foram utilizados dois polímeros hidrocarbônicos eletrólitos na preparação de dois componentes da célula a combustível com membrana trocadora de prótons (PEMFC): o copolímero de estireno-indeno sulfonado (SStInd) na camada preparação da camada de difusão gasos (GDL), e o polindeno sulfonado (SPInd) na preparação camada catalítica (GDE). O uso do copolímero na GDL teve o intuito de melhorar a estabilidade da emulsão carbono/PTFE e deposição sobre o tecido de carbono. A adição do SPInd na solução de Nafion usada na preparação da camada catalítica, , sendo este um eletrólito, teve como objetivo facilitar o transporte de prótons da GDE para membrana eletrólito. Os polímeros hidrocarbônicos foram sulfonados com ácido clorosulfônico (PInd) e com sulfato de acetila (StInd), de forma a inserir grupos ácido sulfônico na cadeia desses polímeros, tornando estes eletrólitos e hidrofílicos. Amostras de GDLs e GDEs foram preparadas variando o teor do eletrólito na composição mesmas. As GDLs foram utilizadas para a preparação das GDEs, e foram avaliadas quanto a estabilidade térmica e morfologia. A camada catalítica foi preparada em uma das faces da GDL. As GDLs e GDEs foram avaliadas quanto ao desempenho em protótipo de PEMFC utilizando-se membrana Nafion-117 e catalisador de Pt/C, a 80 ºC e a 130 ºC. Verificou-se que o eletrólito SStInd teve efeito significativo como estabilizante na emulsão de carbono, e melhorou deposição desta no tecido de carbono, usado como suporte, por aspersão, porém a deposição a vácuo não foi melhorada. A modificação da viscosidade da emulsão de carbono afetou o recobrimento do tecido de carbono em relação a emulsão de referência. No tratamento térmico da GDL, visto que os grupos sulfônicos degradam sob ação do calor, este deixa de ter efeito como eletrólito. O uso do eletrólito SPInd na solução de Nafion da preparação da camada catalítica modificou as características do conjunto GDE-membranda-GDE ou MEA, visto que a GDE contendo 15% de SPInd apresentou valor de OCV equivalente ao GDE de referência (924 mV vs 920 mV) e a GDE com 30% de SPInd apresentou maior densidade de potência (313,51 mW/cm2 vs 297,22 mW/cm2). Devido ao efeito positivo do S-StInd e SPInd, na preparação da camada de difusão gasosa e desempenho da camada catalítica, com a otimização da composição destas será possível se obter melhor desempenho do MEA, que seja em célula alimentada por etanol ou para uso em temperaturas intermediárias (130 ºC).

Two electrolyte polymers were used in this work to prepare two components of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC): the sulphonated styrene-indene copolymer (SStInd) and the sulphonated polyindene (SPInd). The SStInd was used to prepare the gas diffusion layer (GDL) and the SPInd to prepare the catalytic layer (GDE). The use of copolymer on the GDL aimed to enhance the carbon/PTFE emulsion stability and facilitate the emulsion’s deposition over the carbon fabric. The SPInd addition on the Nafion solution used in the catalytic layer preparation aimed to facilitate the protons’ transport from the GDE to the electrolyte membrane. The hydrocarbonic polymers were sulphonated using chlorosulphonic acid (PInd) and acetyl sulphate (StInd), so that sulphonic acid groups were introduced on the carbonic chains of these polymers, making them electrolytes and hydrophilic. GDL and GDE samples were prepared varying the electrolyte content on their compositions. The GDLs were used to prepare the GDE and their thermal stability and morphology were evaluated. The catalytic layer was prepared in one of the GDL sides. The prepared GDLs and GDEs were also evaluated in a PEMFC prototype, to study their performance, using a Nafion-117 membrane and Pt/C as catalyst. The cell operated at two different temperatures: 80 ºC and 120 ºC. It was observed that the SStInd electrolyte indeed stabilized the carbon/PTFE emulsion and facilitated the emulsion deposition over the carbon fabric, used as substrate, by sprinkling. However, the deposition using vacuum was not facilitated. The viscosity modification of the carbon emulsion altered the carbon fabric recovering, if compared to the standard sample. During the GDL heat treatment the sulphonic groups degraded due to the heat action and the SStInd lost its effect as electrolyte. The use of SPInd as electrolyte in the Nafion solution on the catalytic layer modified the MEA (membrane-electrode assembly) characteristics. The GDE with 15% SPInd presented similar OCV value compared to the standard GDE (924 mV vs 920 mV). The GDE with 30% SPInd presented the highest value of maximum power density (313,51 mW/cm2). Due to the positive effect of the electrolytes on the preparation of gas diffusion and catalytic layers and with the optimization of the composition of these electrodes, it will be possible to obtain a better MEA for ethanol fed fuel cell or on medium temperature of operation (130 oC).