Development of a membrane electrode assembly production process for proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) by sieve printing

Energia é um recurso que historicamente apresenta tendência de crescimento de demanda. Projeções indicam que, para suprir as necessidades energéticas do futuro, será necessário um uso massivo do hidrogênio como combustível. O uso de sistemas de célula a combustível baseada no uso de membrana polimérica condutora de prótons (PEMFC) tem características que permitem sua aplicação para geração de energia elétrica em aplicações estacionárias, automotivas e portáteis. O uso de hidrogênio como combustível para PEMFC apresenta a vantagem de resultar em baixa emissão de poluentes quando comparado às dos combustíveis fósseis. Para que ocorram as reações em uma PEMFC é necessária a construção de conjuntos eletrodo-membrana-eletrodo (MEA), sendo o processo de produção de MEAs e os materiais utilizados, relevantes no custo final do kW instalado para geração de energia por sistemas de célula a combustível, o que é, atualmente, uma barreira tecnológica e financeira para a aplicação em grande escala desta tecnologia. Nesse trabalho foi desenvolvido um processo de produção de MEAs por impressão a tela que apresenta alta reprodutibilidade, rapidez e baixo custo. Foram desenvolvidos o processo de impressão a tela e a composição de uma tinta precursora da camada catalisadora (TPCC), que permitem o preparo de eletrodos para confecção de MEAs com a aplicação da massa exata de eletrocatalisador adequada para cátodos 0,6 miligramas de platina por centímetro quadrados (mgPt.cm-2) e ânodos 0,4 mgPt.cm-2 em apenas uma aplicação por eletrodo. A TPCC foi desenvolvida, produzida, aplicada e caracterizada, apresentando características semelhantes a de tintas de impressão a tela para outras aplicações. Os MEAs produzidos apresentaram desempenho de até 712 mA.cm-2 a 600 mV para MEAs de 25 cm2 e o custo para produção de MEAs de 247,86 cm2 capazes de gerar 1 kW de energia foi estimado em R$ 13.939,45, considerando custo de equipamentos, materiais e mão de obra.Energy is a resource that presents historical trend of growth in demand. Projections indicate that future energy needs will require a massive use of hydrogen as fuel. The use of systems based on the use of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has features that allow its application for stationary applications, automotive and portable power generation. The use of hydrogen as fuel for PEMFC has the advantage low pollutants emission, when compared to fossil fuels. For the reactions in a PEMFC is necessary to build membrane electrode assembly (MEA). And the production of MEAs and its materials are relevant to the final cost of kW of power generated by systems of fuel cell. This represent currently a technological and financial barriers to large-scale application of this technology. In this work a process of MEAs fabrication were developed that showed high reproducibility, rapidity and low cost by sieve printing. The process of sieve printing and the ink composition as a precursor to the catalyst layer were developed, which allow the preparation of electrodes for MEAs fabrication with the implementation of the exact catalyst loading, 0.6 milligrams of platinum per square centimeters (mgPt.cm-2) suitable for cathodes and 0.4 mgPt.cm-2 for anode in only one application step per electrode. The ink was developed, produced, characterized and used with similar characteristics to ink of sieve printing build for other applications. The MEAs produced had a performance of up to 712 mA.cm-2 by 600 mV to 25 cm2 MEA area. The MEA cost production for MEAs of 247.86 cm2, that can generate 1 kilowatt of energy was estimated to US$ 7,744.14 including cost of equipment, materials and labor