Influência dos contaminadores do hidrogênio produzido pela desidrogenação do etanol no desempenho de células a combustível de membranas protônicas e aniônicas

Abstract

Influência dos contaminadores do hidrogênio produzido pela desidrogenação do etanol no desempenho de células a combustível de membranas protônicas e aniônicasTese apresentada ao Instituto de Química de São Carlos da Universidade de São Paulo como parte dos requisitos para a obtenção do título de doutor em ciências. Área de concentração: Físico-Química Orientador: Prof. Dr. Edson A. Ticianelli SÃO CARLOS 2019 Dedico esta tese de doutorado aos meus pais, Oraíde e Leacir, por sempre acreditarem em minha capacidade, pela educação que me deram, carinho, amor e oportunidades que me guiaram até aqui. Obrigada por sempre estarem ao meu lado. "O sucesso é ir de fracasso em fracasso sem perder o entusiasmo". Winston Churchill RESUMO Neste trabalho, foi estudada a influência dos principais contaminadores presentes no hidrogênio produzido pela desidrogenação catalítica do etanol (acetato de etila, acetaldeído e etanol não reagido) no desempenho de células a combustível de membranas protônicas (PEMFCs) e aniônicas (AEMFCs). As investigações compreenderam a elucidação dos processos e reações envolvidos nos correspondentes sistemas eletródicos, bem como dos fenômenos que governam o desempenho eletroquímico nos meios alcalino e ácido, na ausência e na presença dos subprodutos oriundos da desidrogenação. Para as AEMFCs, as pesquisas inicialmente compreenderam a síntese de ionômeros e membranas e a otimização de seus desempenhos em células unitárias, utilizando hidrogênio puro e catalisadores eletródicos convencionais (Pt-Ru/C no ânodo e Pt/C no cátodo). Através da análise por diferentes técnicas, foi possível esclarecer que o etanol não reagido é o principal veneno no caso das PEMFCs, sendo que o acetaldeído e o acetato de etila têm contribuições menores para este envenenamento. Foram investigados diferentes eletrocatalisadores nos eletrodos a fim de se obter melhores desempenhos, sendo que o melhor resultado foi observado quando se utilizou o catalisador de Pt-Co/C no cátodo da célula (e Pt/C no ânodo), sendo que em 0,7 V a perda em densidade de potência foi de apenas 20% em comparação à uma célula alimentada por H2 puro e com Pt/C em ambos os eletrodos. No caso da AEMFC, foi possível obter ionômeros inéditos, que combinados com as membranas sintetizadas, resultaram em células com densidade de potência máxima acima de 1 W cm -2 . No entanto, devido à instabilidade química, ao serem expostos aos contaminadores, os materiais parecem sofrer degradação, o que leva à perda quase total e irreversível do desempenho da célula.ABSTRACT In this work, the influence of the main contaminants present in the hydrogen produced by the catalytic dehydrogenation of ethanol (ethyl acetate, acetaldehyde and unreacted ethanol) on the performance of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs) were studied. Investigations comprised the elucidation of the processes and reactions involved in the corresponding electrode systems, as well as the phenomena governing the electrochemical performance in the alkal...