Estudos de durabilidade de conjuntos eletrodo-membrana-eletrodo (MEAs) produzidos por impressão à tela para uso em células a combustível do tipo PEM

• Main Author: Andréa, Vinicius
• Other Authors: Linardi, Marcelo
• Format: Others
• Language: pt
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2013
• Subjects: degradation; durabilidade; durability; MEA; PEMFC; protocolo de teste; test protocol
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/85/85134/tde-08082013-152754/

Custo e durabilidade ainda são os maiores impeditivos para a entrada das células a combustível no mercado de dispositivos usados para produção de eletricidade. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar a durabilidade dos conjuntos eletrodo-membrana-eletrodo (MEAs) produzidos no IPEN pelo método de impressão à tela para uso em células a combustível do tipo PEM. Para tanto, foi necessário desenvolver um protocolo adequado de teste de durabilidade de longa duração, visando obter estimativas da taxa de queda do potencial elétrico da célula a combustível ao longo do tempo e, assim, fazer inferência a respeito do tempo de vida deste dispositivo. Os MEAs testados durante este estudo foram preparados pelo método de impressão à tela com catalisador de Pt/C comercial e membrana Nafion® 115. O aprimoramento do protocolo de teste de durabilidade de longa duração se deu pela escolha dos procedimentos a serem executados e pelo ajuste de alguns parâmetros de operação da célula a combustível, tais como temperatura da célula, fluxo de H2 e fluxo de O2. Para a análise dos dados obtidos com os testes, foram aplicados métodos estatísticos de ajuste de modelos e curvas de polarização. Além disso, amostras da camada catalítica de um dos MEAs utilizados nos testes de durabilidade de longa duração foram analisadas por meio de microscopia eletrônica de transmissão (MET) para serem comparadas com amostras da camada catalítica de um MEA de controle. Para se avaliar o desempenho global da célula a combustível do tipo PEM em operações de longa duração, um dos grandes desafios foi fazer a separação entre as componentes de perda de desempenho que são reversíveis das irreversíveis. As estimativas obtidas para a taxa de queda do potencial elétrico da célula a combustível ao longo do tempo variaram num intervalo de 108,19 a 318,15 μV.h-1. Estes resultados podem ser considerados satisfatórios quando comparados com valores apresentados na literatura. Finalmente, as imagens obtidas por MET mostraram uma tendência de aumento no tamanho médio das partículas Pt em decorrência do tempo de operação dos MEAs, mas que não implicou numa queda significativa do desempenho das células a combustível do tipo PEM testadas. === Cost and durability still represent the major barriers to the entry of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) in the market. Thus, the objective of this work was to assess the durability of membrane-electrode assemblies (MEAs) produced at IPEN through the sieve printing method to be used in PEMFCs. For this purpose, an adequate long-term test protocol was developed aiming to obtain estimates of the voltage decay rate and lifetime of the PEMFCs. In the preparation of the MEAs through the sieve printing method commercial Pt/C catalyst and Nafion® 115 membranes were used. In the development of the long-term test protocol some procedures were defined and the fuel cell operational parameters were adjusted, such as cell temperature, H2 and O2 flows. In the analysis of the data obtained from the tests, statistical methods and polarization curves were applied. Samples of the catalyst layer from a MEA used in a long-term test were compared with samples from a control MEA using a Transmission Electron Microscopy (TEM). To evaluate the overall performance of the PEMFCs in long-term operations, a major challenge was to make the separation between the components of performance loss that are reversible from the ones that are irreversible. The estimates for the voltage decay rate ranged from 110 to 318 μV.h-1. These results can be taken as satisfactory when compared with values reported in the literature. Finally, there was an increase in the average size of Pt particles in the catalyst of the long-term tested MEA, as observed in the micrographs. However, this increase did not lead to a significant performance loss of the PEMFCs.