Fabrication of High Precision PEMFC Membrane Electrode Assemblies by Sieve Printing Method

Abstract

A sieve printing technique has been developed for the preparation of gas diffusion electrodes for proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). The results of the preparation of membrane electrode assemblies (MEAs) are shown to be faster and highly reproducible by using the sieve printing and hot pressing method. These results were compared with those obtained by spray and hot pressing method. The experiments were carried out in a 25 cm2 single PEM fuel cell with platinum loadings of 0.4 mg Pt cm−2 and 0.6 mg Pt cm−2 on the anode and cathode, respectively. Scanning electron microscopy analysis was used to investigate the electrodes’ morphology. The performance of the MEAs was measured by polarization curves. It was observed that the sieve printing technique is highly reproducible and significantly more accurate and faster than the spray one. Sieve printing technique can be easily scaled up and is very adequate for high volume production with low-cost. Such features allow manufacturing large active areas for power stack fabrication. In addition, this deposition technique has produced MEAs with a 39.8% higher power density at 0.6 V when compared with the spray one.

Desenvolvimento de processo de produção de conjuntos eletrodo-membrana-eletrodo para células a combustível baseadas no uso de membrana polimérica condutora de prótons (PEMFC) por impressão a tela

“…5,7,8 No cátodo ocorre a redução do oxidante na presença dos prótons e elétrons provenientes do ânodo, formando moléculas de água e fechando o circuito elétrico. 4,5,9 A estrutura onde as reações de uma PEMFC ocorrem é o conjunto eletrodo-membrana-eletrodo (MEA) -membrane electrode assembly. Esse conjunto é composto por uma membrana polimérica 5,7,8 faceada por dois eletrodos de difusão gasosa (cátodo e ânodo), os quais são compostos por uma camada catalisadora e por uma camada difusora de gases -gas diffusion layer (GDL).…”

“…4,6,10 O preparo de MEAs por diversas técnicas vem sendo objeto de estudo; diversas formulações de uma tinta precursora da camada catalisadora (TPCC) e vários processos de aplicação vêm sendo pesquisados. [9][10][11][12][13][14] Trabalhos recentes compararam processos de deposição da camada catalisadora por pulverização (spray) e por impressão a tela, depositando a massa equivalente a 0,6 mg Pt cm -2 em cátodos e 0,4 mg Pt cm -2 em ânodos, verificando que o desempenho final dos MEAs preparados por impressão a tela é superior. 9 O preparo de uma tinta precursora da camada catalisadora (TPCC) consiste na dispersão dos constituintes da camada catalisadora em um veículo adequado (solvente, mistura de solventes, ou mistura de solventes e resinas).…”

“…[9][10][11][12][13][14] Trabalhos recentes compararam processos de deposição da camada catalisadora por pulverização (spray) e por impressão a tela, depositando a massa equivalente a 0,6 mg Pt cm -2 em cátodos e 0,4 mg Pt cm -2 em ânodos, verificando que o desempenho final dos MEAs preparados por impressão a tela é superior. 9 O preparo de uma tinta precursora da camada catalisadora (TPCC) consiste na dispersão dos constituintes da camada catalisadora em um veículo adequado (solvente, mistura de solventes, ou mistura de solventes e resinas). Sendo que, além dos requisitos de condutividade eletrônica e protônica que a camada catalisadora de uma PEMFC deve atender, é desejado que a TPCC apresente facilidade de aplicação, estabilidade ao longo do tempo, proporcione depósitos uniformes e que o veículo seja totalmente eliminado após aplicação.…”

“…Assim, na formulação de um veículo para o preparo de uma TPCC, o uso de solventes é preferível ao uso de uma mistura de solventes e resinas. 4,[9][10][11]15 A função dos solventes em uma tinta é envolver os sólidos e mantê-los dispersos, permitindo sua aplicação por meio dos diversos processos existentes. 16 De modo que, dentre os componentes de uma tinta, os solventes são os primeiros a entrar em contato com a superfície na qual a tinta é aplicada.…”

“…18 Na avaliação de MEAs, são estudados potenciais desde o potencial de circuito aberto, em torno de 1 V até 0 (zero), ou um potencial considerado adequado aos dispositivos utilizados, uma vez que baixos potenciais exigem maiores densidades de corrente e que potenciais entre 0,5 e 0,7 V são utilizados nas aplicações práticas, em função da boa relação entre potência e durabilidade que proporcionam aos MEAs. A faixa de potencial utilizada na avaliação do MEA foi entre 1,0 e 0,3 V. 9,[19][20][21] Neste estudo foi formulada uma TPCC para aplicação sobre GDL, considerando os parâmetros apresentados e foi desenvolvido um processo de aplicação da TPCC por impressão a tela, permitindo o preparo de eletrodos de difusão gasosa para uso na confecção de MEAs para PEMFC.…”