Membranas eletrólito híbridas à base de poli(indeno) sulfonado para uso em célula a combustível tipo PEMFC

Abstract

Neste trabalho foram preparadas membranas eletrólito poliméricas, a partir de polisulfona (PSU), poli (fluoreto de vinilideno) (PVDF) e Nafion, com poli(indeno) sulfonado (SPInd) para avaliação de seu desempenho em células a combustível com membrana de troca protônica (PEMFC). Para tanto o poli(indeno) (PInd) foi sintetizado e sulfonado com ácido clorossulfônico para uso como polímero eletrólito na preparação das membranas. O poli(indeno) sulfonado foi obtido com grau de sulfonação (GS) de 35, 40 e 45%. As membranas foram preparadas por processo de evaporação do solvente (casting) variando-se a quantidade e o grau de sulfonação do SPInd, o tratamento térmico e modo de ativação das mesmas. Os polímeros e membranas eletrólitos foram caracterizados por FTIR, DSC e TGA. As membranas foram avaliadas quanto à absorção de água, capacidade de troca iônica, condutividade, permeabilidade ao etanol, e comportamento em protótipo de célula unitária tipo PEMFC. As membranas obtidas apresentaram em geral grau de inchamento inferior a 45%. As membranas eletrólito obtidas com polímero fluorado (Nafion) e SPInd foram as que apresentaram potencial para uso no protótipo PEMFC As membranas à base de polisulfona e poli(fluoreto de vinilideno) não apresentaram resistência mecânica suficiente para tal. A condutividade observada para as membranas Nafion/SPInd45, nas condições de ensaio avaliadas, foi a mesma ordem de grandeza daquela observada para a membrana comercial Nafion, de 1,74 x 10-2 S cm-1 a 2,41 x 10-2 S cm-1. A membrana eletrólito com melhor desempenho em protótipo PEMFC foi a Nafion/SPInd45-20, preparada com 20% de SPInd com GS de 45%, com curvas de polarização semelhantes às obtidas com a membrana Nafion sob mesmas condições. A potência máxima e potencial de circuito aberto obtidos a 80 ºC e 130 ºC com a membrana Nafion/SPInd45-20 foram de 388 mW/cm², 0,915V e 325 mW/cm², 0,893V, respectivamente.

In this work, polysulfone (PSU), polyvinylidene fluoride (PVDF) and Nafion membranes were developed with sulfonated poly(indene) (SPInd), for use in polymer electrolyte membrane, to evaluate their performance in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). Poly(indene) (PInd) was synthesized and sulfonated with chlorosulfonic acid to be used as electrolyte polymer in the preparation of membranes. The sulfonated poly(indene) was obtained with sulfonation degree (GS) of 35, 40 and 45%. The membranes were cast, by varying the amount and degree of sulfonation of the SPInd heat treatment and mode of activation. The polymer electrolyte membranes were characterized by FTIR, DSC and TGA. The membranes were tested for water absorption, ion exchange capacity, conductivity, ethanol permeability and behavior in a single cell prototype PEMFC. In general, the membranes synthesized presented degree of swelling less than to 45%. Fluorinated polymer (Nafion) and SPInd electrolyte membranes were those that showed potential for use in the PEMFC prototype. The membranes based on polysulfone and polyvinylidene fluoride did not show sufficient mechanical strength. The observed conductivity for the Nafion/SPInd45 membranes, evaluated, was the same order of magnitude as commercial Nafion membrane, 1.74x10-2 S cm -1 at 2.41x10 -2 S cm -1. The best electrolyte membrane in PEMFC prototype was Nafion/SPInd45-20, prepared with 20% SPInd with 45% GS, with polarization curves like those obtained with the Nafion membrane under the same conditions. The maximum power and open circuit potential obtained at 80°C and 130°C with the Nafion/SPInd45-20 membranes were 388 mW / cm², 0.915V and 325mW / cm², 0.893V, respectively.