Híbridos Nafion-SiO2 combinados com anodos de PtSn/C para DEFC de temperatura intermediária de operação

Abstract

O etanol, como combustível de células a combustível de etanol direto (DEFCs), tem sido considerado uma alternativa energética promissora devido à baixa toxicidade, elevada densidade energética teórica e ser renovável e amigável ao meio-ambiente. No entanto, problemas relacionados ao baixo desempenho, decorrente da incompleta oxidação e da contaminação catódica por álcoois, que permeiam o eletrólito polimérico, inviabilizam a comercialização desses dispositivos. O aumento da temperatura de operação é desejado, uma vez que as reações de eletro-oxidação são processos termoativados, contribuindo para o aumento global no desempenho das DEFCs. No entanto, a temperatura de operação imposta pelo Nafion (80 oC) é limitada pelo transporte protônico que, por sua vez, é fortemente dependente da água retida pela membrana polimérica [1]. Uma abordagem interessante para prevenir efeitos de perda de condutividade do Nafion, sobretudo em temperaturas superiores a 100°C, é a inserção de uma fase higroscópica, como SiO2 e TiO2, na matriz perfluorosulfonada ácida –fração condutora do Nafion– formando nanocompósitos híbridos [2]. Nesse contexto, o presente estudo tem como objetivo a combinação de ânodos e eletrólitos otimizados para operação em DEFC’s de temperaturas intermediárias (130 °C). Membranas híbridas baseadas em Nafion-SiO2 foram sintetizadas pela incorporação e produção do óxido de silício por rota sol-gel diretamente nos agregados iônicos de membranas de Nafion de diferentes espessuras (95, 125 e 175 μm) e conformações (casting e extrusão) [3]. Eletrocatalisadores de PtSn/C de diferentes composições foram sintetizados pelo método do poliol modificado a partir de dois redutores [4]. Ânodo e eletrólito otimizados foram avaliados em protótipos de DEFC nas temperaturas de operação de 80 e 130 °C. As células a combustível unitárias usando eletrocatalisadores PtSn/C (75:25) e Nafion 117 não-modificado, ambos comerciais, apresentaram uma densidade de potência máxima de 40 mW.cm-2 a 80 °C. A DEFC composta por ânodo e eletrólito otimizados, ou seja, ânodo de PtSn/C (70:30) produzido pelo método do poliol e eletrólito híbrido Nafion-SiO2 (13% em massa), apresentou uma densidade de potência máxima de 122 mW.cm-2, a 130 °C. O significativo aumento no desempenho das DEFCs é justificado pela aceleração da reação de oxidação do etanol (ROE), sem a diminuição da condutividade iônica do Nafion em temperaturas superiores a 100 °C.