Avaliação de membranas hidrocarbônicas não fluoradas para uso como eletrólito em célula a combustível tipo DEFC

Abstract

Membranas hidrocarbônicas não fluoradas têm sido desenvolvidas para uso em substituição as membranas fluoradas (Nafion®) em células a combustível de eletrólito polimérico (PEMFC), ou em temperaturas superiores a 80 °C, ou em células com adição direta de álcool. Este trabalho teve como objetivo avaliar o desempenho de membranas hidrocarbônicas catiônicas, desenvolvidas para uso em célula a combustível alimentada com etanol (DEFC), e de camadas de difusão gasosa (GDL – Gas Difusion Layer) e eletrodos (GDE – Gas Difusion electrode) preparados para uso com as mesmas. Duas membranas hidrocarbônicas (E-750 e P-730) da empresa FuMATech®/GR foram avaliadas quanto à capacidade de troca iônica e grau de inchamento em água/etanol, quanto a composição química, morfologia, comportamento térmico e visoelástico e condutividade por impedância. As GDLs foram preparadas a partir de uma emulsão aquosa de Teflon® e pó de carbono Vulcan XC-72R®, com e sem agente emulsificante (resina sulfonada), dispersa em ambas as faces do tecido de carbono pelo método de aspersão. Os GDEs foram preparados pela deposição de emulsão catalítica de diferentes eletrocatalisadores sobre as respectivas GDLs do ânodo e catodo. Os GDEs anódico e catódico foram preparados com 1 mg.cm-2 do eletrocatalisador de PtSn/C 20% (75:15) e de Pt/C (20:80), respectivamente, e caracterizados por MEV-EDS. As características fisico-químicas das membranas hidrocarbônicas foram similares às apresentadas pela membrana Nafion®. O desempenho do protótipo de célula unitária DEFC com as membranas FuMATech® foi inferior ao obtido com a membrana Nafion® usando-se GDE comercial. Por outro lado, ensaios com a membrana Nafion® utilizando-se os eletrodos preparados neste trabalho e eletrodos comerciais apresentaram valores de potencial similares.

Non-fluorinated hydrocarbon cationic membranes have been developed for use instead of Nafion® in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs), or at higher temperatures than 80 ºC, or in fuel cells fed with alcohol. The aim of this work was to evaluate the performance of commercial non-fluorinated hydrocarbon cationic membranes with potential use in direct ethanol fuel cell (DEFC), and also evaluate the Gas Difusion Layer (GDL) and Gas Difusion electrode (GDE) prepared for use with them. Two hydrocarbon membranes (E-750 and P-730) produced by FuMATech®/GR were analyzed according to their ion exchange capacity, water uptake in water/alcohol solution, morphology, chemical composition, thermal and viscoelastic behaviour, and conductivity by impedance. The GDLs were prepared by spraying an aqueous emulsion of Vulcan carbon/Teflon®, with and without emulsifier agent (sulfonated hydrocarbon resin), in both sides of a carbon fabric. The electrodes were prepared by the respective deposition of the electrocatalysts emulsions on the cathode and anode GDLs. The anodic and cathodic GDEs were prepared with 1 mg.cm-2 of the electrocatalyst of PtSn/C 20% (75:15) and of Pt/C (20:80), respectively, which were characterized by SEM-EDS. The physicochemical properties of the hydrocarbon membranes were similar to the Nafion® membrane ones. The potential values obtained in a DEFC prototype unit cell with FuMATech® membranes were lower than those with Nafion-117 membrane. On the other hand, the performance of the DEFC prototype with Nafion-117 membrane was the same if used GDEs commercial or here prepared.