Estudo de condutividade elétrica em nanocompósitos de epóxi-nanopartículas de carbono, para aplicação em células a combustível
Angelo G. Rosa, Rafael O. B. Piacitelli, Julia P. Bertagna,
Thiago N. Viana, Luís M.G da Silva, Anibal Mendes, Suel Vidotti, Danilo J. Carastan
A viabilidade comercial de automóveis elétricos mostra-se na atualidade como um futuro promissor, dadas as mobilizações globais com foco na sustentabilidade. Nesse contexto, uma das tecnologias que têm emergido com potencial para aplicação em automóveis são as células a combustível, que podem ser alimentadas por hidrogênio ou combustíveis líquidos, como etanol ou metanol.
Contudo, essa tecnologia ainda precisa atingir maior grau de maturidade em vários aspectos, em particular quando o foco é o uso de combustíveis líquidos renováveis, como o etanol. Dentre as tecnologias existentes, destacam-se as células à base de membranas poliméricas de troca protônica (PEM) ou aniônica (AEM). Estas células dependem de uma série de componentes, incluindo as peças chamadas placas bipolares, responsáveis pela distribuição dos reagentes em direção ao conjunto de membranas e catalisadores, que é o coração da célula. Uma questão proeminente destas células consiste que as placas bipolares conduzam eletricidade, para conduzir as cargas geradas pelas reações na membrana.
Portanto, o projeto pretende desenvolver materiais para placas bipolares, buscando obter materiais condutores elétricos, leves, com propriedades mecânicas e estabilidade química satisfatórias, visando a substituição do grafite, material mais comumente usado nesse tipo de aplicação. Desse modo, o material selecionado foi nanocompósito de resina epóxi combinada com cargas carbônicas condutoras elétricas.
Logo, as amostras foram produzidas por mistura mecânica das cargas (grafeno e negro de fumo condutivo) na resina líquida, e posterior prensagem em uma prensa hidráulica com aquecimento para a cura e posteriormente a pós-cura em uma estufa. O estudo de condutividade do nanocompósito foi feito a partir de discos para medição elétrica, produzidos pela prensagem.
Assim, a exploração do estudo ocorreu pela variação de dois parâmetros: quantidade de carga e temperatura da cura sob pressão na prensa. A realização da sequência de testes do experimento, baseou-se em um estudo de design de testes a partir do Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR), visto a quantidade de variáveis do processo. Assim, delimitou-se duas temperaturas: 100 °C e 120 °C. Já para as cargas, as seguintes concentrações foram selecionadas: 40%, 50% e 60% em massa de carga. Portanto, cada teste foi uma combinação das duas variáveis, geradas pelo design.
Para as medições elétricas, os discos foram preparados e medidos em um analisador de impedância. Já para as medidas de corrosão, foram feitos testes de impedância eletroquímica, teste de cronoamperometria e testes de polarização por Tafel.
A variação da temperatura de cura e da quantidade de carga dopada aderida à resina epóxi, resultou em uma gama de amostras com propriedades substancialmente distintas. A partir de tais características, inclusive, pôde-se concluir que a temperatura de cura possui maior influência que o esperado na formação de microestruturas, capazes de resistir a tensões mecânicas, mesmo para capacidades condutoras similares.
Quanto a resistência mecânica, mostrou-se a característica de maior distinção conforme os parâmetros foram variados, obtendo-se desde corpos de comportamento próximo ao plástico até outros extremamente quebradiços ao toque, a despeito de ambas amostras apresentarem proporções similares de nanocompósitos adicionados.
O resultado da condutividade elétrica, foi o aspecto que menos alterou-se conforme variação de cargas e tempo de cura. Obtiveram-se não apenas resultados minimamente satisfatórios (0,3 S/cm) para a aplicação desejada, como também tendo-se atingido altas condutividades, próximas à ideal para competitividade no mercado (100 S/cm). Já para as avaliações de corrosão, o material demonstrou um bom comportamento durante os testes o, atingindo resistência à corrosão satisfatória, com bons resultados para aplicação sugerida.
Em suma, o processo explorado neste trabalho mostrou-se viável para a produção de placas bipolares, por apresentar propriedades elétricas adequadas e estabilidade química e mecânica suficientes para a aplicação. Vale ressaltar que o uso de moldagem por compressão é uma rota versátil para a produção industrial desse tipo de componente de células a combustível.
Bem-vindo(a) aos Anais do VII NanoMat, evento organizado pela Pós-graduação em Nanociências e Materiais Avançados da Universidade Federal do ABC (UFABC) com o intuito de reunir e debater trabalhos desenvolvidos por alunos e pós-doutorandos em Materiais e áreas afins.
Comissão Organizadora
Pedro Alves da Silva Autreto
Andre Luiz Martins de Freitas
Aryane Tofanello
Comissão Científica
Ferramenta completa de submissão, avaliação e publicação de anais para eventos científicos.
