Novel Organic−Inorganic Hybrids with Increased Water Retention for Elevated Temperature Proton Exchange Membrane Application

Mistry, Mayur K.; Choudhury, Namita Roy; Dutta, Naba K.; Knott, Robert; Shi, Zhiqing; Holdcroft, Steven

doi:10.1021/cm801374h

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“…While in vehicular mechanism, protons transfer by the hydronium ions. [49][50][51] In other words, proton transfer agent is immobile in Grotthuss mechanism, whereas, the same is mobile in vehicular mechanism. Besides, water is essential for good conduction in both mechanisms.…”

Section: Proton Conductivity and Methanol Permeabilitymentioning

confidence: 99%

IN SITUPREPARED TIO₂NANOPARTICLES CROSS-LINKED SULFONATED PVA MEMBRANES WITH HIGH PROTON CONDUCTIVITY FOR DMFC

Solanki¹,

Mishra²,

Murthy³

2016

Química Nova

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Organic/inorganic membranes based on sulfonated poly(vinyl alcohol) (SPVA) and in situ prepared TiO 2 nanoparticles nanocomposite membranes with various compositions were prepared to use as proton exchange membranes in direct membrane fuel cells. Poly(vinyl alcohol) (PVA) was sulfonated and cross-linked separately by 4-formylbenzene-1,3-disulfonic acid disodium salt hydrate and glutaraldehyde. The ion exchange capacity and proton conductivity of the membranes increased with increasing amount of TiO 2 nanoparticles. The composite membranes with 15 wt% TiO 2 exhibited excellent proton conductivity of 0.0822 S cm -1 , as well as remarkably low methanol permeability of 1.11×10 −9 cm 2 s -1. The thermal stability and durability were also superior and performance in methanol fuel cell was also reasonably good.

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Section: Proton Conductivity and Methanol Permeabilitymentioning

confidence: 99%

IN SITUPREPARED TIO₂NANOPARTICLES CROSS-LINKED SULFONATED PVA MEMBRANES WITH HIGH PROTON CONDUCTIVITY FOR DMFC

Solanki¹,

Mishra²,

Murthy³

2016

Química Nova

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“…These strategies involve organic-inorganic hybrid membranes containing functionalized silica [217][218][219], metal oxide-Nafion composite membranes [220], self-conducting benzimidazole oligomers [221], etc. These high temperature polymer electrolyte membranes for operation above 100 °C have been reviewed by Li et al [222].…”

Section: Electrolyte Membrane Materials Designmentioning

confidence: 99%

A Review of Water Management in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells

2009

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At present, despite the great advances in polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) technology over the past two decades through intensive research and development activities, their large-scale commercialization is still hampered by their higher materials cost and lower reliability and durability. In this review, water management is given special consideration. Water management is of vital importance to achieve maximum performance and durability from PEMFCs. On the one hand, to maintain good proton conductivity, the relative humidity of inlet gases is typically held at a large value to ensure that the membrane remains fully hydrated. On the other hand, the pores of the catalyst layer (CL) and the gas diffusion layer (GDL) are frequently flooded by excessive liquid water, resulting in a higher mass transport resistance. Thus, a subtle equilibrium has to be maintained between membrane drying and liquid water flooding to prevent fuel cell degradation and guarantee a high performance level, which is the essential problem of water management. This paper presents a comprehensive review of the state-of-the-art studies of water management, including the experimental methods and modeling and simulation for the characterization of water management and the water management strategies. As one important aspect of water management, water flooding has been extensively studied during the last two decades. Herein, the causes, detection, effects on cell performance and mitigation strategies of water flooding are overviewed in detail. In the end of the paper the emphasis is given to: (i) the delicate equilibrium of membrane drying vs. water flooding in water management; (ii) determining which phenomenon is principally responsible for the deterioration of the PEMFC performance, the flooding of the porous electrode or the gas

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“…Idealmente, a junção da fase inorgânica à matriz ionomérica objetivou aumentar a capacidade de retenção de água em altas temperaturas e gerar um caminho elétrico alternativo para a migração de íons H + em grupos hidroxila (OH -) presentes na superfície de óxidos como a titânia (TiO 2 ) e a sílica (SiO 2 ), por exemplo [45,46]. Devido à alta estabilidade térmica, a condutividade protônica de óxidos exibe uma dependência tipo Arrhenius até altas temperaturas (~ 150 °C) [47], que pode promover a melhora das propriedades de condução do Nafion em temperaturas superiores à da relaxação α (T α ~ 110 °C) -a partir da qual a desestabilização da fase condutora do ionômero provoca a redução da sua condutividade protônica [16,23].…”

Section: Eletrólitos Compósitosunclassified

“…Nafion suprime a relaxação α [46,120,121]. Presentemente, uma descrição plausível da origem e do mecanismo das relaxações α e β, levando em consideração as propriedades térmicas do Nafion e dos compósitos à base de Nafion em altas temperaturas e umidades relativas, ainda é insuficiente.…”

Section: Dma Revelaram Que a Inserção De Partículas Cerâmicas Nos Domunclassified

“…A transição conformacional é caracterizada Nas curvas de tanδ vs T um pequeno aumento da T g (β') é observado para o compósito NS10, porém no compósito NS25 a T g é essencialmente a mesma que a do Nafion (T g = ~ -20 °C). A redução da intensidade da relaxação α pela incorporação da fase inorgânica observada nos compósitos à base de Nafion [46,120] pode ser devido à separação da relaxação α em dois processos ocorrendo em diferentes temperaturas. Na Figura 3.28 é apresentada a curva de perda dielétrica em função da frequência em T ~ 180 °C para o compósito NS25 e a respectiva curva obtida pela transformada Kramers-Kronig da componente real da permissividade dielétrica.…”

Section: Tunclassified

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Relação morfologia-propriedades elétricas de eletrólitos compósitos de Nafion para célula a combustível de alta temperatura

Matos¹

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Ao meu amigo N. T. Pham pelo auxílio nas realizações das medidas elétricas.Eu agradeço pelos comentários e contribuições a este trabalho aos membros da banca examinadora: Dr. E. R. Gonzalez, Dr. E. R. Leite, Dr. D. J. Carastan e Dr. R. Muccillo.À Capes e ao IPEN pelo apoio financeiro e recursos utilizados na execução deste trabalho.Eu agradeço aos meus pais e ao meu irmão pelo carinho e dedicação à minha formação; e pelo exemplo que sempre me serviu de base para a realização das minhas conquistas.Eu agradeço carinhosamente duas pessoas especiais: a Drika e o Ber; que me inspiram e me motivam sempre. Relação Morfologia-Propriedades Elétricas de Eletrólitos Compósitos deNafion para Célula a Combustível de Alta Temperatura RESUMO As células a combustível a etanol direto (DEFCs) são consideradas geradores de energia eficientes e de baixo impacto ambiental. O foco deste trabalho é avançar o entendimento sobre eletrólitos compósitos híbridos do tipo Nafion-cerâmica visando o aumento do desempenho das DEFCs operando em T ~ 130 °C. Partículas inorgânicas foram crescidas na matriz polimérica formando os compósitos Nafion-Sílica (NS), Nafion-Fosfato de Zircônio (NZ) e Nafion-Titânia (NT). Este último (NT) serviu como material precursor para a conversão in situ da titânia em nanotubos de titanato de hidrogênio por uma rota hidrotérmica alcalina assistida por micro-ondas (NNTH). A relação microestruturapropriedades elétricas foi estudada por meio de medidas de espectroscopia dielétrica, análise dinâmico-mecânica, calorimetria diferencial exploratória e espalhamento de raios X em baixo ângulo. Estas técnicas contribuíram, por exemplo, para inferir a localização das partículas inorgânicas na estrutura multifásica do Nafion e estabelecer a sua influência nas propriedades gerais dos compósitos. Os resultados indicaram que as interações de repulsão eletrostática de longo alcance entre os grupos sulfônicos do Nafion hidratado provocam a transição conformacional das cadeias principais do estado enovelado para a conformação tipo bastão. Tal transição promove a redução da condutividade protônica e da estabilidade mecânica do Nafion para temperaturas acima da temperatura da relaxação α (T α ~ 110 °C), a qual pode ser deslocada para maiores temperaturas (T > 160 °C) nos compósitos híbridos.A interação das partículas de sílica e de titânia com a fase condutora do Nafion é maximizada, enquanto que as partículas de fosfato de zircônio estão localizadas majoritariamente nos domínios apolares. As interações entre os grupos sulfônicos do Nafion e as partículas de titânia contribuíram para a melhora das propriedades mecânicas em altas temperaturas e para a redução da permeabilidade ao etanol, as quais promoveram o aumento do desempenho da DEFC em altas temperaturas. A baixa permeabilidade ao etanol e as melhores propriedades termomecânicas e de transporte protônico dos compósitos NNTH refletiram em um elevado desempenho das DEFCs a 130 °C, evidenciando que estes eletrólitos compósitos são promissores para a aplicação pretendida. Morpholog...

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