Desenvolvimento de conjunto membrana-eletrodo (MEA) de alta eficiência e baixo teor de Pt utilizando técnicas eletroquímicas e membranas compósitas para células PEMFC de temperatura intermediária.

Resumo

O principal objetivo deste projeto de pesquisa é a fabricação e caracterização do conjunto membrana-eletrodos (MEA), usando técnicas eletroquímicas, visando uma significativa redução da quantidade de Pt usada nos eletrodos, associada com o uso de membranas compósitas (Nafion® e nanopartículas inorgânicas), que permitiram não só uma melhora na retenção de água e condutividade protônica, mas, sobretudo a redução do custo de produção do MEA. O desempenho dos MEAs obtidos será avaliado e caracterizado em uma célula unitária do tipo PEMFC e os resultados serão comparados com MEAs obtidos pela metodologia vigente (fabricação convencional) no grupo de pesquisa do IPEN. Os eletrodos (cátodo e ânodo) serão preparados utilizando uma técnica eletroquímica inovadora. A deposição de uma tinta contendo C/Nafion® será realizada sobre o tecido de carbono (substrato de carbono), por meio do método de impressão à tela. Antes do processo de eletrodeposição, o substrato de carbono será submetido a um processo de ativação para aumentar o caráter hidrofílico da superfície. Então o processo de eletrodeposição será realizado sobre o substrato de carbono utilizando pulsos ou ciclos voltamétricos em soluções de Pt e/ou ligas de Pt na ausência ou presença de ultra-som (20 kHz). As membranas compósitas baseadas em Nafion® e óxidos higroscópicos serão preparadas a partir de processos hidrotérmicos usando membranas de Nafion® 115 como matriz polimérica. Os compósitos serão obtidos por imersão dos polieletrólitos (membranas de Nafion®) em sóis precursores de óxidos metálicos em diferentes tempos e submetidos a diferentes tratamentos térmicos em autoclave. É proposto um estudo sistemático associado ao processo de obtenção, caracterização e aplicabilidade das membranas e eletrodos nos MEAs. Medidas de voltametria cíclica e de polarização em uma célula unitária serão realizadas para avaliar o comportamento eletroquímico dos eletrodos. Serão feitas análises morfológicas e estruturais, utilizando as técnicas de microscopia eletrônica de alta resolução (Field Emission Gun - Scanning Electron Microscopy, FEG-SEM), microscopia de força atômica (Atomic Force Microscopy, AFM), difração de raios-X de alta resolução (DRX) espectroscopia de infravermelho (FT-IR) e espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDX), com o objetivo de se avaliar o grau de impregnação do óxido inorgânico, morfologia das membranas compósitas e caracterização física dos eletrodos. Propriedades tais como a capacidade de retenção de água (water uptake) e a condutividade iônica serão determinadas por espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS). Por fim, o desempenho das membranas compósitas e dos eletrodos com baixa quantidade de Pt preparados por técnicas eletroquímicas será avaliado em PEMFCs de temperatura intermediária.