Optimization of the performance of Aquivion®-based proton exchange membrane fuel cells and fed with hydrogen in the absence and presence of CO

Este trabalho envolveu a investigação de células a combustível de membrana de troca de prótons(PEMFC) montadas com empacotamentos membrana&eletrodos (MEA) formados por membranas Aquivion® (Solvey - E87, E98) e eletrodos suportados em tecido de carbono e papel de carbono contendo Pt/C e PtMo/C (0,4 mg metal cm-2), com diferentes teores de ionômero de Aquivion® a camada de catalisador. As investigações foram realizadas em células unitárias operando a 85o, 105o e 125oC com MEAs (área geométrica de 5 cm2) preparados sob diferentes condições de prensagem a quente (na faixa de 160 a 220oC). As medidas de polarização em estado estacionário e usando H2,H2/CO 100 ppm no ânodo e O2 no cátodo, com estes gases pré-saturados por borbulhamento em água quente, mantida 5oC para oxigênio e 10oC para hidrogênio acima da temperatura da célula. Em todas as experiências, os gases reagentes foram mantidos sob pressão parcial de 1 bar. Medidas de voltametria cíclica foram realizadas a temperatura ambiente para todos os eletrodos. Esses experimentos foram conduzidos diretamente no hardware da célula a combustível, com o eletrodo de trabalho alimentado com argônio e o contra eletrodo alimentado com hidrogênio, que também foi utilizado como eletrodo de referência reversível ao hidrogênio (RHE). As observações mais relevantes do trabalho podem ser resumidas da seguinte forma: (1) melhor condição de prensagem a quente do MEA de Aquivion® em relação à sua integridade e desempenho na PEMFC foi alcançada a 200oC; (2) há um aumento significativo do desempenho com o aumento da temperatura de trabalho da célula, tanto na ausência quanto na presença de CO; (3) desempenhos mais elevados das PEMFCs foram alcançados para os MEAs contendo cargas de ionômero na faixa de 28 a 35% em peso, considerando a massa total da camada de catalisador; (4) desempenhos semelhantes foram observados para MEAs com ionômeros de diferentes pesos moleculares nos eletrodos (720, 790, 820 e 980 g mol-1), exceto para os sistemas na maior temperatura de operação, em que o ionômero de menor peso molecular levou a uma redução na atividade; (5) devido à menor resistência eletrolítica geral, o desempenho da célula unitária resultou superior no caso do MEA com a membrana mais fina, tanto na ausência quanto na presença de CO; (6) nas diversas condições de trabalho, a tolerância do ânodo com PtMo/C à presença de CO foi superior à do Pt/C, porém inferior à do PtRu/C.This work involved investigations of proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) with membrane&electrodes assemblies (MEA) formed by Aquivion® membranes (Solvey - E87, E98) and electrodes supported on carbon cloth and carbon paper containing Pt/C and PtMo/C (0.4 mg metal cm-2), with different Aquivion® ionomer contents in the catalyst layer. Investigations have been carried out in single cells with MEAs (5 cm2 geometric area) prepared under different hot-pressing conditions (in the range of 160 to 220oC), by stead state polarization measurements at 85o, 105o and 125oC and using H2, H2/CO 100 ppm and O2 gases saturated with hot-water, maintained 5oC for oxygen and 10oC for hydrogen (with or without 100 ppm CO) above the cell temperature. At all experiments, either the anode and cathode reactant streams were kept at 1 bar partial pressure. Cyclic voltammetric measurements were conducted at room temperature for all electrodes. These experiments were performed directly in the fuel cell hardware, with the working electrode fed with argon and the counter electrode fed with hydrogen which was also used as a reversible reference electrode (RHE). Significant findings of the work can be summarized as follows: (1) better MEA hot-pressing condition regarding its integrity and PEMFC performance was achieved at 200oC; (2) there is a significant increase of the performance with the increase of cell working temperature, either in the absence and in the presence of CO; (3) higher fuel cell performances were achieved for the MEAs containing ionomer loadings in the range of 28 to 35 wt.%, considering the total mass of the catalyst layers (4) similar performances were observed for MEAs with different molecular weight ionomers in the electrodes (720, 790, 820 and 980 g mol-1), except for the systems at the higher operating temperature at which the lower molecular weight ionomer leaded to a reduction in the MEA activity; (5) due to the smaller overall electrolytic resistance of the MEA, the single cell performance resulted superior in the case of the MEA with the thinner membrane, either in the absence and in the presence of CO; (6) under the several working conditions, the CO tolerance of the PtMo/C anode was superior to that of Pt/C, but inferior to that of PtRu/C