Na seleção de uma membrana mais adequada para PEMFC existe um compromisso entre desempenho e durabilidade, pois quanto menor a espessura da membrana, menor é sua resistividade [11,24], resultando em maiores densidades de corrente e, por outro lado, quanto maior a espessura, maior a durabilidade, tanto em horas de trabalho como em resistência a pressurização[5,6,11]. Considerando-se que o requisito de durabilidade é diferente para cada aplicação de PEMFC[5-7], as membranas Nafion que possuem espessura de 127,0; 50,0 e 25,4 m, N115, N212 e N211, respectivamente, foram usadas no preparo de MEAs com Pd/C 20 %Mm e a GDL MF15, segundo o Padrão IPEN. Nas FIG. 18 e 19 são apresentados os PCAs e dC500mV desses MEAs.
FIGURA 18 - Potenciais de circuito aberto de MEAs com Pd/C e as membranas Nafion 115, 211 e 212. Estruturas com GDLs MF15, ECs com 20 %Mm, eletrodos de 5 cm2 com
0,4 mgPd.cm-2 e 35 % NM. Avaliações com variação da temperatura do H
2 entre
25 e 100 ºC e com as temperaturas do O2 e da célula unitária sendo estudadas entre 5 e
15 °C abaixo dessa, conforme TAB. 8. H2 com pureza 5.0, suprido com vazão de
160 mL.min-1 a 1 atm e O
2 com pureza 4.0, suprido com vazão de 80 mL.min-1 a 1 atm,
ambos saturados com água pura.
FIGURA 19 - Densidades de corrente a 500 mV de MEAs com Pd/C e as membranas Nafion 115, 211 e 212. Estruturas com GDLs MF15, ECs com 20 %Mm, eletrodos de 5 cm2
com 0,4 mgPd.cm-2 e 35 % NM. Avaliações com variação da temperatura do H
2 entre
25 e 100 ºC e com as temperaturas do O2 e da célula unitária sendo estudadas entre 5 e
15 °C abaixo dessa, conforme TAB. 8. H2 com pureza 5.0, suprido com vazão de
160 mL.min-1 a 1 atm e O
2 com pureza 4.0, suprido com vazão de 80 mL.min-1 a 1 atm,
Analisando-se a FIG. 18, verificou-se que MEAs com N115 e N212 resultaram em valores de PCA semelhantes entre si e superiores aos obtidos com N211 em aproximadamente 120 mV, na maioria das temperaturas estudadas. Na FIG. 19 verificaram-se dC500mV semelhantes com as três membranas, com alternância daquela que apresentou os maiores valores em função da temperatura. A principio, as membranas de menores espessuras deveriam apresentar melhores resultados, tanto em PCA, quanto em dC500mV[11,25]. Porém, é possível que a diminuição da espessura da membrana tenha modificado a influência das GDLs de cátodo e ânodo no gerenciamento de água dos MEAs, já que essas ficaram mais próximas entre si. Na FIG. 20 são apresentadas as curvas de polarização dos MEAs com membranas N211, N212 e N115 em suas temperaturas de maiores densidades de corrente e uma simulação dos valores que poderiam ter sido obtidos com N211 se seu PCA tivesse sido semelhante aos de N115 e N212.
FIGURA 20 - Curvas de polarização de MEAs com Pd/C 20 %Mm e as membranas Nafion
115, 211 e 212, nas temperaturas dos maiores desempenhos. Além de uma simulação do desempenho que poderia ser obtido com N211 se tivesse PCA semelhante aos das outras membranas. Estruturas com GDLs MF15, eletrodos de 5 cm2 com 0,4 mgPd.cm-2 e
35 % NM. H2 com pureza 5.0, suprido com vazão de 160 mL.min-1 a 1 atm e O2 com
pureza 4.0, suprido com vazão de 80 mL.min-1 a 1 atm, ambos saturados com água pura.
Analisando-se a FIG. 20, percebeu-se que a membrana N211, de menor espessura, realmente resultou em menor polarização por queda ôhmica,
pois apesar do menor PCA, sua densidade de corrente foi semelhante às de N115 e N212 no potencial de 500 mV e superou-as abaixo deste potencial. Para simular o desempenho que poderia ser obtido com N211 se seu PCA fosse semelhante aos das outras membranas, desprezando-se quaisquer outros fatores, foram adicionados 120 mV aos potenciais da curva de polarização original, obtendo-se a curva tracejada, que indicou que poderiam ter sido obtidas densidades de corrente muito superiores a 500 mV com um PCA adequado.
Ao se comparar as melhores curvas de polarização obtidas com N115 e N212, verificaram-se valores de densidades de corrente semelhantes entre 700 e 400 mV e iguais abaixo desse potencial. O fato de ocorrer maior formação de água a altas densidades de corrente (baixos potenciais) reforçou a hipótese da proximidade entre as GDLs ter influenciado o gerenciamento de água das membranas de menor espessura (N211 e N212).
Por outro lado, o processo de prensagem consiste na aplicação de uma "carga térmica" ao MEA com o aquecimento que é feito até temperaturas próximas à temperatura de transição vítrea (Tg) do Nafion[102], seguido da aplicação de uma determinada pressão por um determinado tempo. Nesse processo, durante o aquecimento, ocorre o amolecimento das cadeias poliméricas da membrana e também do ionômero presenta nas CCs, possibilitando interações entre elas quando é aplicada a pressão e os eletrodos penetram parcialmente no volume da membrana[103-105]. Então, considerando-se que menores porções de um mesmo material (membrana) necessitam de uma “carga térmica” menor para a obtenção dos mesmos efeitos (amolecimento / interações superficiais)[105]. Considerando-se que o processo de prensagem padronizado no IPEN é amplamente utilizado para membrana Nafion 115[39,93-97]. Considerando-se que o desempenho de um MEA depende da adequada formação de interfaces entre os eletrodos e a membrana[104,37] e considerando-se os piores resultados obtidos com as membranas de menor espessura. Concluiu-se que os parâmetros do processo de prensagem Padrão IPEN[39,93-97] resultaram em “cargas térmicas” excessivas as membranas N211 e N212, com consequente formação de interfaces inadequadas à eficiente condução de prótons.
Considerou-se, também, possível que a prensagem Padrão IPEN[39,93- 97] não tenha sido a melhor condição para MEAs preparados com membranas Nafion 115. De modo que, tornou-se necessário estudar parâmetros de
prensagem para MEAs com ECs à base de paládio e cada uma das membranas avaliadas. Porém, considerando-se que são esperadas maiores durabilidades de membranas mais espessas e menores polarizações por queda ôhmica das menos espessas, decidiu-se realizar experimentos na busca dos parâmetros de prensagem mais adequados para MEAs com as membranas N115 (117 m) e N211 (25,4 m) e não fazê-lo com Nafion 212 (50 m), por serem esperados resultados intermediários.