Membranas de polieletrólitos com características de condução protônica: obtenção, caracterização e avaliação da eficiência em células a combustível

Abstract

Membranas compósitas com características de condutividade protônica tem sido estudadas como uma alternativa para aplicação em célula a combustível. O objetivo deste trabalho foi preparar e caracterizar membranas compósitas para a aplicação em células a combustível. Para aplicação em células que operam abaixo de 90 °C foram preparadas e caracterizadas membranas de poli(vinil álcool) e ácido sulfosuccínico (PVAL/SSA) dopadas com nanopartículas de boehmita ou dióxido de zircônio estabilizadas com ítrio (YSZ). As membranas apresentaram as características requeridas para a aplicação proposta e foi observado que a presença das nanopartículas nas membranas promoveram um decréscimo no valor da condutividade protônica, sendo o efeito mais significativo nas membranas com menor quantidade de SSA. Verificouse um melhor desempenho das membranas compósitas com as nanopartículas de boehmita nos testes de célula a combustível alimentada a H2 do que quando alimentada com metanol. As membranas mostraram características promissoras para a aplicação em células a combustível de baixa temperatura. Para aplicação em células a combustível de alta temperatura (160 °C) foram sintetizados os polímeros poli(benzimidazol) (PBI) e poli(2,5-benzimidazol) (ABPBI) e preparadas membranas sem e com nanopartículas de YSZ, utilizando o método direct casting. Os polímeros e membranas compósitas foram caracterizados e avaliada a eficiência do método de preparo das membranas, bem como a aplicação em célula a combustível que opera a alta temperatura. As membranas apresentaram alto grau de dopagem e consequentemente elevados valores de condutividade protônica. As membranas de PBI foram testadas em célula a combustível, a temperatura de 160 °C utilizando como combustível hidrogênio ou metanol. O desempenho das membranas foi melhor na célula a combustível utilizando o hidrogênio do que o metanol, sendo que a membrana de PBI sem nanopartículas apresentou melhor desempenho que a membrana de PBI com YSZ para os combustíveis estudados.

Composite membranes with proton conductivity characteristics have been studied as an alternative for application in fuel cell. The objective of this study was to prepare and test the application of composite membranes in fuel cells. For application in fuel cells operating below 90 ° C membranes of poly(vinyl alcohol) and sulfosuccinic acid (PVAL/SSA) doped with nanoparticles of boehmite and nanoparticles of zirconium dioxide stabilized with yttrium (YSZ) were prepared and characterized. The membranes showed the characteristics required for the proposed application and it was observed that the presence of the nanoparticles in the membrane caused a decrease in the proton conductivity, and the most significant effect was on the membranes with smaller quantities of SSA. There was a better performance of the composite membranes with the nanoparticles of boehmite in the fuel cells test fed to H2 which when fed with methanol. The membranes showed promising characteristics for application in fuel cells at low temperature. For application in fuel cells high temperature (160 ºC) polybenzimidazole (PBI) and poly(2,5-benzimidazole) (ABPBI) polymers were synthesized and the membranes were prepared without and with YSZ nanoparticles by direct casting method. The polymers and membranes were characterized and the efficiency of the method of preparation and application of the membranes in fuel cells operating at temperature of 160 ºC evaluated. The membranes present high degree of doping and consequently high values of proton conductivity. PBI membranes were tested in fuel cell at temperature of 160 ° C using H2 or methanol as fuel. The membrane performance was better in the fuel cell using the hydrogen that methanol, and the PBI membrane without nanoparticles showed better performances than the PBI membrane with YSZ in both cases.