Impressão sobre a camada difusora de gases

Uma vez que a impressão sobre a membrana expõe a mesma a ciclos térmicos, e a deformações por perda de umidade e por tensionamentos (realizados para que a membrana recupere sua dimensão original a fim de se realizar a impressão de cátodo e ânodo à registro), e que o controle da massa depositada na membrana é fortemente influenciado pela absorção de umidade do ar. Decidiu-se estudar a aplicação da camada catalisadora sobre a camada difusora de gases com a TPCC T1. Foi verificado experimentalmente que o tecido de carbono não apresenta variação de massa em função da temperatura ou umidade, o que pode ser atribuído aos 30 % de PTFE em massa que o GDL utilizado possui em sua estrutura. O que contribui para o controle da massa aplicada, além de permitir o preparo de eletrodos de variadas dimensões, inclusive dimensões múltiplas a do MEA a ser produzido, sendo necessário apenas um corte para obtenção do eletrodo no tamanho adequado para o preparo de cada MEA.

O processo de impressão transcorreu sem nenhuma dificuldade e tem o benefício implícito de preservar a membrana polimérica de deformações e ciclos térmicos até a etapa de prensagem do MEA. Foram preparados os MEAs 3 e 4 por aplicação da TPCC T1 sobre GDL em apenas uma etapa de impressão por eletrodo. De modo que, os MEAs de 1 a 4 foram impressos com a TPCC T1, cujo solvente é o 2EEA, em apenas uma etapa de aplicação por eletrodo a fim de que seus desempenhos fossem comparados. Na Figura 18 são apresentadas as curvas de polarização dos MEAs 1, 2, 3 e 4, que tiveram a aplicação da camada catalisadora (CC) sobre membrana e sobre GDL.

Figura 18 – Comparação entre a aplicação da camada catalisadora sobre membrana Nafion 115 e tecido de carbono. Em ambos os casos foi feita a aplicação de 0,4 e 0,6 mgPt.cm-2 em ânodos e cátodo, respectivamente. Avaliação em célula de 25 cm-2 a 75 °C, alimentada com hidrogênio a 90 °C e oxigênio a 85 °C, ambos com 1 bar de pressão absoluta (sem pressurização na saída).

Com base nos dados da Figura 18 conclui-se que ambos os processos apresentam resultados semelhantes no potencial de operação de célula (0,6 V). Também conclui-se que os MEAs produzidos por ambos os processos podem apresentar variação de desempenho na região da curva de polarização onde o transporte de massa é a etapa limitante do processo, o que pode ser atribuído à problemas ou variações no processo de prensagem, os quais podem comprometer a microestrutura da camada aplicada.

5.4 SUBSTITUIÇÃO DO SOLVENTE DA TPCC

A substituição do solvente 2EEA, utilizado na TPCC T1, foi objeto de estudo devido ao seu baixo tempo de secagem, alta toxicidade e alto custo. Com base no estado da técnica, na viscosidade, na temperatura de ebulição, nos estudos de espalhamento e tempo de evaporação (Tabelas 5 e 6) e em sua baixa pressão de vapor, o etileno glicol, após experimentos, mostrou-se adequado não somente como solvente substituto ao 2EAA, mas

também como veículo da TPCC T2, que passou a apresentar estabilidade a temperatura ambiente, devido ao fato desse veículo não apresentar perda de massa por evaporação a temperatura ambiente.

Foi verificado que o etileno glicol apresenta um ganho de 0,44 % em massa por hora quando exposto ao ambiente, o que foi atribuído a absorção de umidade do ambiente. Assim, mediante correto armazenamento, a TPCC T2 apresentou estabilidade, garantindo a reprodutibilidade do processo e eliminando o problema de entupindo da matriz de impressão (que ocorria como conseqüência do baixo tempo de evaporação do 2EEA[14]). Outro benefício obtido foi à redução de custo com o uso desses solventes, e ainda a economia de matéria-prima que deixou de ser desperdiçadas nas limpezas da matriz de impressão, uma vez que a TPCC T2 não seca na tela, causando seu entupimento.

Nos experimentos para avaliação do etileno glicol como solvente foi verificado que ele não entra em combustão quando em contato com o eletrocatalisador e é eliminado dos eletrodos na etapa de secagem da tinta em estufa (não saturada) a 120 °C por 20 minutos. Podendo, entretanto, restarem ppms desse solvente adsorvido aos sítios ativos dos eletrocatalisadores, efeito que foi verificado[14] com o uso do 2EEA.

Após a substituição do 2EEA (T1) por etileno glicol (T2) foram preparados os MEAs 5, 6, 7 e 8 com esta nova formulação. Na Figura 19 é apresentada a comparação de desempenho entre os eletrodos impressos sobre GDL com a TPCC T1 e com a TPCC T2.

Figura 19 – Desempenho de MEAs produzidos a partir de eletrodos impressos sobre camada difusora de gases (GDL), com as TPCCs T1 e T2. Em todos os casos foi feita a aplicação de 0,4 e 0,6 mgPt.cm-2 em ânodos e cátodo, respectivamente. Avaliação em célula de 25 cm-2 a 75 °C, alimentada com hidrogênio a 90 °C e oxigênio a 85 °C, ambos com 1 bar de pressão absoluta (sem pressurização na saída).

Com base na Figura 19 pode-se concluir que a substituição do solvente é bastante benéfica ao desempenho dos MEAs produzidos. Na impressão dos eletrodos para os MEAs 5, 6, 7 e 8 foi utilizada a mesma matriz de impressão utilizada para o preparo dos eletrodos/MEAs 1, 2, 3 e 4, no entanto, não foi possível a deposição das cargas de cátodo e ânodo em apenas uma etapa de aplicação por eletrodo como vinha ocorrendo com a TPCC T1. Tal fato foi atribuído a ocorrência de repulsão verificada entre a tinta e a GDL. Analisando-se a Figura 19, pode-se notar que o MEA 6, produzido com a T2, apresentou desempenho semelhante ao dos MEAs produzidos com a T1, o que já é um ótimo resultado em função das vantagens que essa TPCC oferece em relação a reprodutibilidade e custo do processo. No entanto, o MEA 5, também impresso com a T2, apresentou um desempenho bastante superior ao dos outros MEAs. A explicação para esse resultado pode estar relacionada ao fato de seu cátodo ter sido produzido em 4 etapas de impressão, contra 6 etapas que foram necessárias para a impressão do cátodo do MEA 6. Na Figura 20 é

apresentada uma micrografia do MEA 6, na qual podem ser observadas, na região central da figura, trincas ao longo da na camada catalisadora.

Figura 20 – Micrografia eletrônica de varredura do MEA 6.

Acredita-se que as trincas, ou descontinuidades, observadas na camada catalisadora do MEA6 tenham sido causadas pelo excesso de repetições do processo de impressão e que sejam responsáveis pelo desempenho inferior dele em relação ao MEA 5. Não foi possível a obtenção de micrografias do MEA 5, mas descontinuidades resultam em perda de condutividade elétrica, o que resulta em queda no desempenho de qualquer eletrodo.