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As células de combustível com alimentação directa de metanol (DMFC) terão uma grande aplicação em baterias de pequenos aparelhos electrónicos. No entanto, para serem competitivas, têm de ser resolvidos dois problemas: a permeabilidade ao metanol e a baixa densidade de potência. Este projecto pretende contribuir para a resolução destes dois problemas.
O projecto compreende duas estratégias: i) modificação de membranas poliméricas condutoras de protões (PEM) para diminuir a permeabilidade ao metanol e desenvolvimento de suportes para o catalisador electroquímico e ii) uma estratégia desafiadora onde é proposto o uso de um novo catalisador de reformação com vapor (RV) para promover a formação de H2 a partir do metanol dentro da câmara do ânodo. Este catalisador opera a temperaturas de RV bastante baixas (150 ºC) com conversões de metanol de 100 % e sem formação de CO. O catalisador é feito de nanofibras de La2CuO4 e é facilmente misturado na camada difusora (GDL) do ânodo. Este catalisador formará hidrogénio produzindo densidades de corrente de até 1 Wcm-2 com uma eficência energética superior a 50 %. Adicionalmente, uma vez que a reacção de RV é endotérmica e a oxidação electroquímica do hidrogénio é exotérmica, há um efeito sinergético. Além do mais, o catalisador electroquímico composto por PtRu é o mesmo tanto na electro-oxidação do metanol como na do H2.
Em Nafion, a PEM normalmente utilizada, os protões são transportados através de nanoporos utilizando água líquida como veículo.
Uma vez que o metanol e a água são miscíveis, o metanol atravessa a membrana devido à diferença de concentração nos dois lados da membrana. Operar DMFC a temperaturas superiores a 100 ºC tem um efeito negativo no desempenho utilizando Nafion porque a permebilidade ao metanol aumenta. Além do mais, a necessidade de água dentro do nanoporos torna-se um problema. Por sua vez, membranas de polibenzimidazole (PBI) dopadas com ácido fosfórico são estáveis até 230 ºC e operam com um baixo  |
Resumo
As células de combustível com alimentação directa de metanol (DMFC) terão uma grande aplicação em baterias de pequenos aparelhos electrónicos. No entanto, para serem competitivas, têm de ser resolvidos dois problemas: a permeabilidade ao metanol e a baixa densidade de potência. Este projecto pretende contribuir para a resolução destes dois problemas.
O projecto compreende duas estratégias: i) modificação de membranas poliméricas condutoras de protões (PEM) para diminuir a permeabilidade ao metanol e desenvolvimento de suportes para o catalisador electroquímico e ii) uma estratégia desafiadora onde é proposto o uso de um novo catalisador de reformação com vapor (RV) para promover a formação de H2 a partir do metanol dentro da câmara do ânodo. Este catalisador opera a temperaturas de RV bastante baixas (150 ºC) com conversões de metanol de 100 % e sem formação de CO. O catalisador é feito de nanofibras de La2CuO4 e é facilmente misturado na camada difusora (GDL) do ânodo. Este catalisador formará hidrogénio produzindo densidades de corrente de até 1 Wcm-2 com uma eficência energética superior a 50 %. Adicionalmente, uma vez que a reacção de RV é endotérmica e a oxidação electroquímica do hidrogénio é exotérmica, há um efeito sinergético. Além do mais, o catalisador electroquímico composto por PtRu é o mesmo tanto na electro-oxidação do metanol como na do H2.
Em Nafion, a PEM normalmente utilizada, os protões são transportados através de nanoporos utilizando água líquida como veículo.
Uma vez que o metanol e a água são miscíveis, o metanol atravessa a membrana devido à diferença de concentração nos dois lados da membrana. Operar DMFC a temperaturas superiores a 100 ºC tem um efeito negativo no desempenho utilizando Nafion porque a permebilidade ao metanol aumenta. Além do mais, a necessidade de água dentro do nanoporos torna-se um problema. Por sua vez, membranas de polibenzimidazole (PBI) dopadas com ácido fosfórico são estáveis até 230 ºC e operam com um baixo teor de humidade. Esta membrana é densa e menos permeável ao metanol; no entanto, o desempenho da célula de combustível diminui com o tempo devido à perda de ácido fosfórico. No âmbito deste projecto, propõe-se a síntese de PEM capazes de operar a temperaturas superiores a 100 ºC com uma permeabilidade ao metanol reduzida. Serão sintetizadas membranas compósitas com a incorporação de nanopartículas hidrofílicas e condutoras de protões (derivados ácidos de dióxido de zircónio (ZrO2) e de ítrio estabilizado em dióxido de zircónio (YSZ)) na matriz polimérica. A hidrofilicidade das nanopartículas é muito importante, principalmente em Nafion, porque a desidratação não ocorrerá. Além do mais, o uso de nanopartículas com grupos acídicos fortes à superfície não diminuirá a condutividade protónica. Na verdade, o tamanho nanométrico e a distribuição de tamanhos estreita fará com que as naopartículas aumentem a condutividade protónica devido a uma melhor transferência entre grãos e à grande superfície de centros de troca protónica.
O aumento da actividade electroquímica será obtido através do aumento da temperatura de operação e também pela utilização de nanocones de carbono (SWNH), com elevadas área superficial e condutividae eléctrica, como suporte do catalisador [4, 5]. Os SWNH têm uma estrutura grafítica semelhante à dos nanotubos de carbono, têm um diametro de 2-3 nm, um comprimento de 50 nm e formam agregados de 100 nm. Esta propriedade aumenta a área superficial e a condutividade eléctrica devido ao bom contacto entre os SWNH. Além do mais, a formação dos agregados permite uma passagem fácil aos gases e líquidos, que obtém acesso rápido ao catalisador. |