Nafion–TiO2 hybrid electrolytes for stable operation of PEM fuel cells at high temperature

Santiago, Elisabete I.; Isidoro, R.A.; Dresch, Mauro André; Matos, Bruno R.; Linardi, Marcelo; Fonseca, Fábio C.

doi:10.1016/j.electacta.2009.02.040

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“…In the resulting composite membrane, hydrogen bonding between the surface hydroxyl group of inorganic filler and the pendant sulfonic acid group (-SO 3 H) of Nafion assists the dispersion of filler particles in the host matrix [11,12]. Grafting hydrophilic oligomeric chains to inorganic particles [3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15] has furthered the preparation technique of Nafion nanocomposite membranes. With the aim of achieving the forestated goal, use of hydrophilic hollow polymer spheres (HPS) as filler is apparently more attractive [16][17][18][19][20][21] because this particulate structure possesses larger interior space for storing water and the porous hydrophilic polymeric shell prevents quick evaporation of water while the membrane is subjected to dehydration [22,23].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Embedding of Hollow Polymer Microspheres with Hydrophilic Shell in Nafion Matrix as Proton and Water Micro-Reservoir

et al. 2012

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Assimilating hydrophilic hollow polymer spheres (HPS) into Nafion matrix by a loading of 0.5 wt % led to a restructured hydrophilic channel, composed of the pendant sulfonic acid groups (-SO 3 H) and the imbedded hydrophilic hollow spheres. The tiny hydrophilic hollow chamber was critical to retaining moisture and facilitating proton transfer in the composite membranes. To obtain such a tiny cavity structure, the synthesis included selective generation of a hydrophilic polymer shell on silica microsphere template and the subsequent removal of the template by etching. The hydrophilic HPS (100-200 nm) possessed two different spherical shells, the styrenic network with pendant sulfonic acid groups and with methacrylic acid groups, respectively. By behaving as microreservoirs of water, the hydrophilic HPS promoted the Grotthus mechanism and, hence, enhanced proton transport efficiency through the inter-sphere path. In addition, the HPS with the -SO 3 H borne shell played a more effective role than those with the -CO 2 H borne shell in augmenting proton transport, in particular under low humidity or at medium temperatures. Single H 2 -PEMFC test at 70 °C using dry H 2 /O 2 further verified the impactful role of hydrophilic HPS in sustaining higher proton flux as compared to pristine Nafion membrane.

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Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Embedding of Hollow Polymer Microspheres with Hydrophilic Shell in Nafion Matrix as Proton and Water Micro-Reservoir

et al. 2012

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“…[73], enquanto que para compósitos Nafion-TiO 2 (5 vol%) preparados pela rota sol-gel, a condutividade assume valores aproximados de ~ 0,07 Scm -1 [75]. Tal característica pode estar relacionada com a localização das partículas na matriz polimérica.…”

Section: Eletrólitos Compósitosunclassified

“…Tal desenvolvimento foi alcançado a partir da síntese de nanocristais de titânia in situ na matriz Nafion [75] e pela a conversão destas partículas de titânia na fase anatásio em nanotubos de titanato de hidrogênio por reação hidrotérmica alcalina [82]. Estes eletrólitos híbridos foram caracterizados por diferentes técnicas visando sua aplicação em DEFCs.…”

Section: Eletrólitos Compósitosunclassified

“…Medidas de SAXS e TEM destes compósitos, indicaram que a fase inorgânica estabelece interface com diferentes domínios da matriz polimérica que pode afetar o desempenho de células DEFC em altas temperaturas [70,76,151]. Mais recentemente, foi desenvolvida uma rota de síntese in situ para a obtenção de compósitos NT com alta homogeneidade [75]; a utilização destes compósitos em células a combustível revelou um aumento de desempenho eletroquímico em altas temperaturas em relação ao Nafion; no entanto, a relação entre as propriedades elétricas e a morfologia dos eletrólitos compósitos NT foram pouco exploradas [75]. Dessa forma, os compósitos NS, NZ e NT foram selecionados para uma análise detalhada da sua microestrutura e a relação com as propriedades de transporte.…”

Section: Morfologia E Propriedades Dos Eletrólitos Compósitosunclassified

“…As diferenças nos valores de absorção de água das amostras podem estar diretamente relacionadas com a morfologia, com as propriedades físico-químicas de superfície e com a localização das partículas na microestrutura do polímero. A localização das partículas de 75 titânia nos domínios hidrofílicos do Nafion pode diminuir a capacidade de absorção de água do compósito. No caso do fosfato de zircônio as mudanças nos valores de absorção de água dos compósitos em relação ao Nafion são pequenas, em bom acordo com a localização esperada da fase inorgânica em regiões amorfas de caráter mais hidrofóbico.…”

Section: Síntese E Características Físicas Dos Compósitosunclassified

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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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Nanostructured Organic–Inorganic Hybrid Membranes for High‐Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Zhang

2018

Functional Organic and Hybrid Nanostructured Materials

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Nafion–TiO2 hybrid electrolytes for stable operation of PEM fuel cells at high temperature

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Embedding of Hollow Polymer Microspheres with Hydrophilic Shell in Nafion Matrix as Proton and Water Micro-Reservoir

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Nanostructured Organic–Inorganic Hybrid Membranes for High‐Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells

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