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Jun 01, 2023

Mejora del rendimiento de las pilas de combustible a través del efecto estérico de un hidrocarburo

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 14001 (2022) Citar este artículo

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Detalles de métricas

En este estudio, se investigó una poli(éter sulfona) sulfonada que tiene grupos fluorenilo de tipo cardo (FL-SPES) como aglutinante catódico para mejorar el rendimiento de la celda de combustible aumentando la difusión de oxígeno en el cátodo. La densidad de potencia máxima alcanzada mediante el uso del conjunto de electrodos de membrana (MEA) preparado con FL-SPES con una capacidad de intercambio iónico (IEC) baja de 1,31 meq g–1 fue de 520 mW cm–2, que es más del doble que la de BP-SPES (210 mW cm–2) que tienen grupos bifenilo típicos con un IEC similar. Con una IEC alta de 1,55 meq g–1, la densidad de potencia obtenida mediante el uso de BP-SPES mejoró a 454 mW cm–2, pero permaneció más baja que la de FL-SPES. Además, aunque la IEC, el grado de hinchamiento y la resistencia específica fueron similares entre sí, la permeabilidad al gas de FL-SPES mejoró aproximadamente tres veces en comparación con la de BP-SPES. La estructura estérica de FL-SPES de tipo cardo aumentó el volumen libre entre los esqueletos de polímero, lo que condujo a un aumento en la transferencia de gas. En consecuencia, se promovió la difusión de oxígeno en el cátodo, lo que resultó en un mejor rendimiento de la celda de combustible.

Las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) han atraído la atención como transporte de próxima generación, energía distribuida y fuentes de energía portátiles debido a su alta densidad de energía, características de respuesta y arranque rápidos y excelente durabilidad. Nafion®, un ácido perfluorosulfónico (PFSA) representativo, exhibe una excelente estabilidad química y mecánica y una alta conductividad iónica y se usa ampliamente como aglutinante de electrodos de catalizador, así como también como membrana para PEMFC1,2,3. Sin embargo, los PFSA presentan inconvenientes significativos, como una estabilidad termomecánica insuficiente, alto costo, peligros ambientales y ventanas de temperatura de operación restringidas. Por lo tanto, se han realizado muchos estudios sobre el desarrollo de materiales a base de hidrocarburos como alternativas a los PFSA4.

Entre los muchos polímeros de hidrocarburos prometedores5,6,7,8,9,10,11, la poli(éter sulfona) sulfonada (SPES) es de bajo costo debido a su método de síntesis simple, tiene una baja permeabilidad a los gases debido a su estructura densa y rígida. estructura, y tiene una excelente estabilidad térmica en comparación con Nafion6,7,8. Aunque se ha logrado un progreso significativo en el estudio del uso de electrolitos de polímeros de hidrocarburos como membranas9,10, se ha realizado poca investigación sobre el papel de los aglutinantes en las capas de catalizadores11,12,13,14 porque los polímeros de hidrocarburos exhiben coeficientes de permeabilidad al oxígeno más bajos que el PFSA13,14 ,15. Debido a que la reacción de reducción de oxígeno (ORR) que ocurre en el cátodo es más lenta que la reacción de oxidación de hidrógeno (HOR) en el ánodo, la ORR en el cátodo es una causa importante de pérdida de polarización y es el factor clave que controla la velocidad de reacción electroquímica en PEMFC. operación14,15,16. Por lo tanto, se han realizado varios estudios para mejorar la tasa de ORR usando un aglutinante SPES en la capa del catalizador del cátodo, como mejorar la difusión de oxígeno mediante el control de la microestructura del catalizador, optimizar la carga del aglutinante, agregar ácido fosfórico y usar copolímeros multibloque como grupos funcionales12 ,13,17,18.

En este estudio, nos enfocamos en aumentar la difusión de oxígeno en el cátodo mediante la inducción de estructuras estéricas como los grupos fluorenilo tipo cardo (FL-SPES)19,20,21 en lugar de las estructuras planas de los grupos bifenilo (BP-SPES) para aumentar la volumen libre en la estructura química de SPES. Además, determinamos cómo la difusión de oxígeno afecta el rendimiento de la celda de combustible al realizar una prueba de celda única y comparar un MEA con BP-SPES y FL-SPES como aglutinante catódico.

BP-SPES (con grupos bifenilo) y FL-SPES (con grupos fluorenilo) se sintetizaron por policondensación con 4,4'-dihidroxilbifenilo (DHBP) y 9,9-bis(4-hidroxifenil fluoreno)(HPFL), respectivamente, como se informó anteriormente4 . Para desacoplar el efecto de la diferencia estructural y las propiedades intrínsecas, como la IEC de los ionómeros, se sintetizaron BP-SPES y FL-SPES con IEC similares y se agruparon. Por ejemplo, los ionómeros con IEC bajos de 1,25 ± 0,05 meq g–1 se agruparon y denominaron BP1 y FL1, mientras que aquellos con IEC altos de 1,5 ± 0,05 meq g–1 se denominaron BP2 y FL2. El aglutinante anódico se preparó mezclando Pt/C (40 % en peso, Vulcan XC-72, EE. UU.), solución de ionómero de Nafion al 5 % en peso e IPA con una cantidad adecuada de agua desionizada en un vial. Las soluciones de aglutinante catódico se prepararon usando un ionómero Nafion como referencia y los polímeros BP-SPES y FL-SPES como BP1, BP2, FL1 y FL2 después de protonarlos. Además, la membrana de hidrocarburo (HCM) se preparó utilizando una poli(éter sulfona)(SPES) sulfonada comercial adquirida de Yanjin. Este polímero sulfonado contiene grupos bifenilo y su grado de sulfonación es del 50%. La membrana se preparó con un espesor de aproximadamente 47 µm, que es similar al de la membrana comercial Nafion212 (aproximadamente 50 µm). Se proporcionan detalles adicionales en la Información complementaria (SI).

Los espectros de RMN de 1H se obtuvieron utilizando un espectrómetro de resonancia magnética nuclear de transformada de Fourier (FT/RMN) de 400 MHz (JNM-EX400, JEOL, Japón) con BP-SPES y FL-SPES disueltos en dimetilsulfóxido deuterado (DMSO-d6). Los espectros de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR) para ambos SPES se examinaron utilizando un espectrómetro FT-IR (4100E, JASCO Deutschland GmbH, Pfungstadt, Alemania) en el rango de número de onda de 4000–500 cm–1 y un modo de transmitancia. Las pruebas de permeabilidad a los gases se realizaron con un densómetro Gurley 4340 N22. Se aplicó un área de orificio de 6,452 cm2 y un caudal de gas de 100 ml s–1 bajo una presión estándar (1,23 kPa). Para las mediciones de IEC, las muestras en forma de H+ empapadas en 50 ml de una solución acuosa de NaCl 3 N durante 24 h se valoraron con NaOH 0,01 M usando un valorador electrónico (Metrohm 848 Titrino Plus, Metrohm, Suiza). La resistencia específica de las muestras (al menos 1 cm × 4 cm) sumergidas en agua desionizada a 25 °C se evaluó mediante un espectrómetro de impedancia electroquímica (ZIVE SP1, Corea). Para la relación de hinchamiento, las muestras se humedecieron suficientemente en agua desionizada a 25 °C, y se calcularon sus áreas y grados de venta de volumen. Los detalles de la caracterización se proporcionan en el SI.

Los MEA se fabricaron mediante la pulverización de soluciones aglutinantes para obtener un área activa de 25 cm2 uniformemente en ambos lados de la membrana Nafion 212 (Dupont, EE. UU.) y la membrana de hidrocarburo (HCM) con grupos bifenilo con un grado de sulfonación del 50%. Posteriormente, la carga de platino en cada lado de las membranas se mantuvo en 0,4 mg cm–2 (consulte la sesión de prueba de rendimiento de celdas de combustible y fabricación MEA del SI para obtener una descripción adicional). El rendimiento de la celda de combustible de los MEA preparados se midió con hidrógeno como combustible (0,4 L min–1) y aire como oxidante (1,5 L min–1) a 80 °C y 100 % de humedad relativa (HR). Las curvas de densidad de potencia en modo de barrido de voltaje y las características de impedancia electroquímica a 40 y 800 mA cm–2 se registraron utilizando un potenciostato con espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) (BioLogic Science Instruments, HCP-803, Francia).

La Figura 1 muestra las estructuras químicas de BP-SPES y FL-SPES. Ambos SPES se dividieron en dominios hidrofílicos e hidrofóbicos. En comparación con BP-SPES compuesto por una estructura lineal plana (Fig. 1a), el carbono cuaternario y la estructura de anillo voluminoso del polímero cardo causan rigidez estructural en FL-SPES al restringir significativamente el movimiento de rotación de los enlaces del polímero, lo que conduce a un impedimento estérico relativo21 ,23. La rigidez permite que FL-SPES tenga un gran volumen libre en el dominio hidrofóbico, lo que es ventajoso para la permeación de gases, mientras que la estructura estérica limita el grado de hinchamiento en el dominio hidrofílico (Fig. 1b)19,20,21,23.

Estructuras químicas de (a) BP-SPES compuestas por una estructura lineal plana y (b) FL-SPES compuestas por una estructura estérica.

Los polímeros de electrolitos a base de hidrocarburos normalmente requieren cantidades significativamente más altas de grupos funcionales de ácido sulfónico (-SO3H) por unidad repetitiva para lograr una conductividad iónica similar a la de Nafion, lo que da como resultado una IEC más alta. La oscura separación entre las fases hidrofóbica e hidrofílica en BP-SPES debido a los grupos funcionales densamente ubicados y la columna vertebral flexible produce dominios estrechos y desconectados que dificultan la conductividad de protones y producen un mayor grado de hinchamiento15,24. Por el contrario, la fuerza de atracción entre los grupos fluorenilo de tipo cardo en los dos huesos FL-SPES diferentes es una ventaja como aglutinante catódico, ya que un compartimento mantiene una separación de fase distinta independientemente de la IEC. Esta separación de fases podría ser un factor significativo en la promoción de la ORR en el cátodo utilizando el aglutinante FL-SPES.

Las estructuras químicas de BP-SPES y FL-SPES se verificaron mediante espectroscopía de RMN 1H. La Figura 2a muestra los espectros apilados de 1H NMR de los dos tipos de SPES con asignaciones de señales. Se observan cambios marcados en el espectro de RMN 1H de FL-SPES en comparación con el de BP-SPES. Aparecen nuevas señales a 7,2, 7,4 y 7,83 ppm, correspondientes a los protones del grupo fluorenilo10,23.

Espectros 1H-NMR y FT-IR de BP-SPES y FL-SPES.

Se realizó espectroscopía FT-IR para analizar las bandas características correspondientes a los grupos sulfonato en las dos estructuras SPES (Fig. 2b). También se han observado típicamente con poli(sulfuro de fenileno) sulfonados sintetizados usando grupos bifenilo25 y fluorenilo10. Las bandas de estiramiento en 1009 y 1027 cm–1 se pueden asignar a vibraciones Ar–O–Ar25. El pico característico para el grupo sulfona aromática aparece en 1155 cm–1, y las bandas de estiramiento en 1066 y 1195 cm–1 se observan debido a las vibraciones O=S=O de los grupos ácido sulfónico26. Las bandas de estiramiento observadas a 1450, 1502 y 1629 cm–1 se pueden asignar a los anillos aromáticos de tipo cardo en los grupos fluorenilo de FL-SPES23. Los resultados del análisis 1H NMR y FTIR confirman que la polimerización de BP-SPES y FL-SPES empleada en este estudio fue exitosa.

La Tabla 1 resume las propiedades clave de BP-SPES y FL-SPES. Se seleccionaron IEC altos y bajos para BP-SPES y FP-SPES para comparar (consulte la sección "Procedimiento experimental" para obtener más detalles). Los SPES con IEC bajos, BP1 (1,22 meq g–1) y FL1 (1,31 meq g–1), presentan resistencias específicas similares de 40,0 y 43,4 Ω·cm, respectivamente. Como la resistencia específica es el recíproco de la conductividad de protones, una IEC alta puede reducir la resistencia específica, lo que se puede confirmar comparando BP2 y FL2 con BP1 y FL1. Las resistencias específicas de BP2 y FL2 disminuyen a 18,2 y 28,6 Ω·cm, mientras que sus IEC aumentan a 1,55 y 1,45 meq g–1, respectivamente. Tanto BP2 como FL2 son adecuadas como membranas de intercambio iónico en PEMFC debido a sus altos IEC y bajas resistencias específicas; sin embargo, para los aglutinantes catódicos, también se debe considerar el grado de hinchamiento. Los grados de hinchamiento del agua en BP1 y FL1 con IEC bajos son 19,9 % y 18,64 %, respectivamente, similares a los valores de 15–20 % para el ionómero de Nafion (N). Sin embargo, en las muestras con IEC elevados, el grado de hinchamiento de FL2 aumenta solo ligeramente, hasta el 21,52 %, mientras que el de BP2 es del 34,62 %. Estos resultados están en buen acuerdo con la hipótesis de la estructura estérica del FL-SPES mencionada anteriormente.

Dado que un aglutinante catódico debe facilitar un límite de fase triple, debe evitarse un alto grado de hinchamiento, ya que a veces puede dificultar la difusión de oxígeno en condiciones normales de operación de PEMFC27. Por lo tanto, un ligante catódico ideal requiere tanto una baja resistencia específica como un bajo grado de hinchamiento, lo cual es paradójico ya que estos factores son inversamente proporcionales. Hasta el momento, Nafion es el único ionómero que exhibe estas peculiares propiedades. En este estudio, FL2 mostró el potencial para convertirse en otro candidato a aglomerante catódico ideal.

Para verificar en profundidad el efecto de la estructura SPES, se midió la permeabilidad al gas. BP1 y FL1 fueron seleccionados entre los SPES ya que ambos tienen grados de hinchamiento comparables a los de Nafion. Las mediciones de permeabilidad al gas fueron realizadas por Gurley Precision Instruments usando aire para verificar el volumen libre. El tiempo de Gurley de BP1 fue tres veces menor (24.791 s) en promedio que el de FL1 (8820 s). La conversión de estos valores en permeabilidades a los gases4 arrojó 0,0051 y 0,0153 µm Pa–1 s–1 para BP1 y FL1, respectivamente. Supusimos que la estructura estérica de FL-SPES con grupos fluorenilo de tipo cardo aumentaba el volumen libre entre los esqueletos poliméricos para aumentar la transferencia de gas. Por lo tanto, cuando se usó FL-SPES como aglutinante catódico, se promovió la difusión de oxígeno en el cátodo. Sin embargo, es más pequeña que Nafion, que tiene una permeabilidad al gas de 0,0241–0,0362 µm Pa–1 s–1 28. Esto se verifica aún más con el rendimiento de la celda de combustible que se muestra en las Figs. 3 y 4. Aquí, se usaron HCM y Nafion212 con una resistencia específica similar para comparar la miscibilidad entre la membrana y el aglutinante catódico para las pruebas de células individuales de PEMFC.

Densidades de potencia de los MEA preparados con (a) BP1 y FL1 y (b) BP2 y FL2 como aglutinantes catódicos en comparación con el ionómero Nafion a una temperatura de celda de 80 °C y HR del 100 %. N representa el ionómero Nafion de EW1100. BP1 y BP2 indican el SPES sintetizado por grupos bifenilo con IEC de 1,22 y 1,56 meq g–1, respectivamente. De manera similar, FL1 y FL2 indican el SPES sintetizado por grupos fluorenilo con IEC de 1,31 y 1,45 meq g–1, respectivamente. Las membranas de intercambio iónico fueron Nafion 212 y HCM. HCM indica una membrana de hidrocarburo SPES típica con un grado de sulfonación del 50% sintetizada por grupos bifenilo. N-Nafion212 indica un ionómero de Nafion como aglutinante catódico combinado con una membrana de Nafion212.

Gráficos de impedancia para los MEA preparados con BP-SPES y FL-SPES (a, b) a 40 mA cm–2 y (c, d) 800 mA cm–2 a una temperatura de celda de 80 °C con 100 % de HR.

Para obtener las medidas de rendimiento de la celda de combustible en la Fig. 3, los aglutinantes BP-SPES y FL-SPES con Nafion212 y HCM como membranas se fabricaron como MEA. N fue adoptado como referencia a 80 °C con 100% HR. La figura 3a ilustra las densidades de potencia máximas entre los grupos con valores IEC bajos. El MEA con N-Nafion212 muestra la mayor densidad de potencia de 638 mW cm–2. Los valores máximos de densidad de potencia disminuyen en el orden de FL1-Nafion212, FL1-HCM, BP1-Nafion212 y BP1-HCM como 520, 408, 238 y 210 mW cm–2, respectivamente. En particular, FL1-Nafion212 exhibe más del doble de la densidad de potencia máxima de BP1-Nafion212. Incluso cuando se utiliza HCM como membrana, la densidad de potencia máxima para FL1-HCM aumenta 1,7 veces en comparación con la de BP1-HCM. Como se predijo anteriormente, estos resultados confirman que el rendimiento de la pila de combustible mejora con el aumento del volumen libre de acuerdo con la estructura estérica de tipo cardo.

Independientemente de la membrana utilizada, MEA con aglutinante BP1 presenta el rendimiento más bajo. Debido a la cinética ORR lenta que domina la reacción general, la resistencia de la membrana tiene poco efecto sobre el rendimiento de la celda de combustible. Por el contrario, FL1 muestra una clara diferencia en la densidad de potencia más alta según la membrana aplicada, que se debe a la resistencia de la membrana y a la conducción lenta de protones en la interfaz entre la membrana y el aglutinante catódico. Por lo tanto, el rendimiento de la celda de combustible se mejora únicamente por la mejora en la difusión de oxígeno debido a la estructura estérica del aglutinante. Además, la combinación con una membrana de alto rendimiento como Nafion212 es fundamental para un ligante con un IEC bajo.

La Figura 3b presenta la densidad de potencia de cada MEA fabricado con BP2 y FL2, que tienen IEC altos, y muestra tendencias claramente diferentes de las obtenidas con IEC bajos, como se ilustra en la Fig. 3a. En particular, las densidades de potencia de BP2-Nafion212 y BP2-HCM aumentan significativamente en comparación con las de los aglutinantes BP1 correspondientes. Incluso la densidad de potencia de BP2-HCM (399 mW cm–2), que es la más baja entre los aglutinantes de alto IEC, es 1,67 veces mayor que la de BP1-HCM. La densidad de potencia de BP2-Nafion212 también aumenta a 454 mW cm–2. Además de BP1, MEA con BP2 muestra una diferencia en la densidad de potencia según la membrana aplicada. Sin embargo, FL2 aún logra el rendimiento más alto independientemente de la membrana.

Aquí, el rendimiento de la celda de combustible de MEA con BP2 es significativamente mayor que con BP1 porque el aumento de IEC promueve fuertemente el transporte de iones en el aglutinante catódico en la medida en lugar del impacto de la resistencia a la difusión de oxígeno. Por lo tanto, los rendimientos de las celdas de combustible de los ligantes con IEC bajos están determinados por las resistencias específicas29. En comparación con FL1-Nafion212, que tiene la mayor densidad de potencia en la Fig. 3a, FL2-Nafion212 produce valores similares a pesar del aumento de IEC. Curiosamente, incluso cuando se usa el HCM, hay poca degradación en el rendimiento de la celda de combustible debido a la membrana y la resistencia interfacial. Por lo tanto, la tasa de ORR mejorada y la aceleración del movimiento de protones son atribuibles a la mejora estructural de FL-SPES y conducción de protones mejorada (es decir, resistencia específica disminuida) debido a la alta IEC. Esta es también la razón por la que el rendimiento de la celda de combustible difiere según la membrana en MEA con BP2, que tiene un IEC alto, a diferencia de BP1.

Para explicar aún más el rendimiento de la celda de combustible de cada MEA, se realizó un EIS in situ a 40 y 800 mA cm–2 en las condiciones de operación de la celda de combustible para verificar la causa de la pérdida de voltaje desde la perspectiva de la resistencia cinética (Fig. 4a y b) y resistencia de transferencia de masa (Fig. 4c y d), respectivamente. La intercepción de alta frecuencia (la primera intercepción) en ZRe representa la resistencia óhmica, que incluye las resistencias de membrana y contacto de interfaz30,31. Los MEA formados por los aglutinantes BP y FL muestran resistencias óhmicas comparables alrededor de 60–70 mΩ cm2 en la Fig. 4a–d. La resistencia general del cátodo, incluidas la membrana, la interfaz y las resistencias de transferencia de carga y masa, corresponde a la intersección de baja frecuencia (la segunda intersección) del diagrama de Nyquist32, donde N-Nafion212 demuestra la resistencia más baja (938 mΩ cm2 a 40 mA cm– 2 y 281 mΩ cm2 @800 mA cm–2), que aumenta en el orden de FL y BP independientemente de la membrana. Además, el diámetro del semicírculo entre las intersecciones de alta y baja frecuencia representa la resistencia de transferencia de carga relacionada con la reacción electroquímica30. En la Fig. 4, BP1-Nafion212 y BP1-HCM muestran la mayor resistencia de transferencia, lo que indica que la reacción electroquímica debida a la resistencia de transferencia de oxígeno en la celda de combustible se ralentiza y, por lo tanto, se reduce la densidad de potencia (consulte la sesión de análisis EIS de el SI para más descripción). Mientras tanto, la resistencia a la transferencia de carga y masa del MEA preparado con el aglutinante FL1 es significativamente menor que cuando se emplea BP1, como se muestra en la Fig. 4c. La resistencia del MEA con BP2 se reduce significativamente en comparación con la del MEA con BP1, lo que acelera el transporte de iones en el aglutinante catódico con un alto IEC y da como resultado una mayor densidad de potencia (Fig. 4d). Estos resultados enfatizan además que el aglutinante catódico para mejorar la actividad electroquímica a baja IEC debe tener una estructura con un alto volumen libre y que cuando la IEC del aglutinante aumenta, el efecto de estructura estérica disminuye.

Este documento propuso un nuevo enfoque de aglutinante catódico que puede superar la limitación de la difusión de oxígeno para los ionómeros de hidrocarburos mediante el uso de una estructura estérica de tipo cardo y puede servir como una alternativa al PFSA. Para verificar este enfoque, se midieron y compararon entre sí los IEC, las resistencias específicas, los grados de expansión, las densidades de potencia y los EIS de FL-SPES y BP-SPES. Curiosamente, la relación que describe el aumento en el grado de hinchazón debido al aumento de IEC para FL-SPES fue significativamente menor que para BP-SPES. Además, la permeabilidad a los gases de FL-SPES mejoró aproximadamente tres veces en comparación con la del BP con un grado de hinchamiento similar. Estos resultados concuerdan bien con la hipótesis de que la estructura estérica de FL proporciona un volumen libre en el dominio hidrofóbico mientras limita el grado de hinchamiento en el dominio hidrofílico. Teniendo en cuenta las muestras de IEC bajo, la densidad de potencia máxima de FL1 fue al menos 1,7 veces mayor que la de BP1. En particular, el de FL1-Nafion212 fue más del doble que el de BP1-Nafion212. Este hallazgo muestra que el rendimiento de la celda de combustible se mejoró únicamente por la mejora en la difusión de oxígeno debido a la estructura estérica del aglutinante y que la combinación con una membrana de alto rendimiento es esencial para un aglutinante con un IEC bajo. Entre las muestras de IEC alto, MEA con FL2 como aglutinante exhibió el rendimiento más alto independientemente de la membrana utilizada, aunque la densidad de potencia de BP2 aumentó significativamente en comparación con la de los aglutinantes BP1. Este resultado se puede atribuir a la tasa de ORR mejorada causada por la disminución en la resistencia de transferencia de oxígeno en el cátodo y el movimiento de protones facilitado en la interfaz entre la membrana y el cátodo debido a la sinergia combinada de IEC alto y el beneficio estructural de FL -SPES. Por lo tanto, el grupo fluorenilo de tipo cardo presentado en este informe demostró tener suficiente potencial como aglutinante de cátodos para mejorar el rendimiento de las celdas de combustible. En el futuro deberían realizarse estudios de la aplicación y las características de los ligantes de la estructura estérica en diversas condiciones de funcionamiento de las pilas de combustible.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Zhang, H. & Shen, PK Desarrollo reciente de membranas electrolíticas poliméricas para celdas de combustible. química Rev. 112, 2780–2832. https://doi.org/10.1021/cr200035s (2012).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Dorenbos, G. & Morohoshi, K. Dependencia de la arquitectura de la cadena de las morfologías de los poros y la difusión del agua en membranas de celdas de combustible de electrolitos poliméricos injertados y en bloque. Entorno Energético. ciencia https://doi.org/10.1039/b924171j (2010).

Artículo Google Académico

Kusoglu, A. & Weber, AZ Nuevos conocimientos sobre los ionómeros de ácido sulfónico perfluorado. química Rev. 117, 987–1104. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00159 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Jang, S., Yoon, Y.-G., Lee, Y.-S. y Choi, Y.-W. Fabricación y caracterización en un solo paso de membranas de microcompuestos reforzados para celdas de combustible de membrana de electrolito polimérico. J. Miembro ciencia 563, 896–902. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.06.060 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Cha, J.-E., Seo, MH, Choi, Y.-W. & Kim, WB Un enfoque práctico para medir el número de transporte de iones de las membranas de intercambio catiónico: Efectos del potencial de unión y la concentración de analitos. J. Miembro ciencia https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.119471 (2021).

Artículo Google Académico

Muldoon, J. et al. Operación de celda de combustible de alto rendimiento con un aglutinante de electrodo de polifosfaceno no fluorado. Pilas de combustible 9, 518–521. https://doi.org/10.1002/fuce.200900123 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Wang, F., Hickner, M., Kim, YS, Zawodzinski, TA & McGrath, JE Polimerización directa de copolímeros aleatorios (estadísticos) de poli(arilen éter sulfona) sulfonados: Candidatos para nuevas membranas de intercambio de protones. J. Miembro ciencia 197, 231–242 (2002).

Artículo CAS Google Académico

Wang, F., Hickner, M., Kim, YS, Zawodzinski, TA & McGrath, J. E Síntesis de copolímeros aleatorios (estadísticos) de poli(arilen éter sulfona) altamente sulfonados mediante polimerización directa. marcomol. Síntoma 175, 387–395 (2001).

3.0.CO;2-1" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F1521-3900%28200110%29175%3A1%3C387%3A%3AAID-MASY387%3E3.0.CO%3B2-1" aria-label="Article reference 8" data-doi="10.1002/1521-3900(200110)175:13.0.CO;2-1">Artículo CAS Google Académico

Peckham, TJ & Holdcroft, S. Relaciones estructura-morfología-propiedad de membranas conductoras de protones no perfluoradas. Adv. Mate. 22, 4667–4690. https://doi.org/10.1002/adma.201001164 (2010).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Wang, C. et al. Una poli(éter sulfona) sulfonada agrupada basada en un nuevo monómero de bisfenol basado en fluoreno. J.Mater. química 22, 25093 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Fuerte, A. et al. Poli(éteres de arileno) sulfonados, solubles en alcohol: Investigación de ionómeros de hidrocarburos para capas de catalizadores de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones. J. Electroquímica. Soc. 162, F513–F518. https://doi.org/10.1149/2.0251506jes (2015).

Artículo CAS Google Académico

Sambandam, S. & Ramani, V. Influencia de las propiedades del aglutinante en los procesos cinéticos y de transporte en electrodos de celdas de combustible de electrolito polimérico. física química química física 12, 6140–6149. https://doi.org/10.1039/b921916a (2010).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Kawaji, J., Suzuki, S., Takamori, Y., Mizukami, T. y Morishima, M. Microestructura de aglomerados de platino y carbono con aglutinante a base de hidrocarburos y su efecto en el rendimiento del cátodo de PEFC. J. Electroquímica. Soc. https://doi.org/10.1149/1.3604396 (2011).

Artículo Google Académico

Peron, J., Shi, Z. & Holdcroft, S. Polímeros conductores de protones de hidrocarburos para capas de catalizadores de celdas de combustible. Entorno Energético. ciencia https://doi.org/10.1039/c0ee00638f (2011).

Artículo Google Académico

Nguyen, H., Klose, C., Metzler, L., Vierrath, S. y Breitwieser, M. Conjuntos de electrodos de membrana totalmente de hidrocarburo para celdas de combustible de membrana de intercambio de protones y electrolizadores: una perspectiva de ingeniería. Adv. Materia Energética. https://doi.org/10.1002/aenm.202103559 (2022).

Artículo Google Académico

Schmidt, TJ, Paulus, UA, Gasteiger, HA & Behm, RJ La reacción de reducción de oxígeno en un catalizador de pila de combustible de Pt/carbono en presencia de aniones de cloruro. J. Electroanal. química 508, 41–47 (2001).

Artículo CAS Google Académico

Lindström, RW et al. Desempeño del ionómero de hidrocarburo fosfonado en la capa catalítica del cátodo de la celda de combustible. J. Electochem. Soc. 160, F269–F277. https://doi.org/10.1149/2.046303jes (2013).

Artículo CAS Google Académico

Lee, H.-F. et al. Capas de catalizadores de pilas de combustible y conjuntos de electrodos de membrana que contienen poli(sulfonas de éter de arileno) multibloque con cadenas laterales de ácido perfluorosulfónico. J. Electochem. Soc. 165, F891–F897. https://doi.org/10.1149/2.1081810jes (2018).

Artículo CAS Google Académico

Wang, Z., Chen, T. & Xu, J. Propiedades de transporte de gas de una serie de cardo polyarylethers. Aplicación J. Ciencia de Polmyer. 83(4), 791–801 (2002).

Artículo CAS Google Académico

Kazama, S. & Sakashita, M. Propiedades de separación de gases y morfología de membranas asimétricas de fibra hueca hechas de cardo poliamida. J. Miembro ciencia 243, 59–68. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2004.06.012 (2004).

Artículo CAS Google Académico

Kazama, S., Teramoto, T. y Haraya, K. Propiedades de transporte de nitrógeno y dióxido de carbono de las membranas de cardopolímero a base de bis(fenil)fluoreno. J. Miembro ciencia 207, 91–104 (2002).

Artículo CAS Google Académico

Zhu, X., He, W. & Logan, BE Reducción de la energía de bombeo mediante el uso de diferentes caudales de soluciones de alta y baja concentración en celdas de electrodiálisis inversa. J. Miembro ciencia 486, 215–221. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2015.03.035 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Xu, PY et al. Efecto de los grupos fluoreno sobre las propiedades de las membranas de intercambio aniónico basadas en poli(arilenéter sulfona) multibloque. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 6, 6776–6785. https://doi.org/10.1021/am5017599 (2014).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Gao, Y., Zhang, Z., Zhong, S., Daneshfar, R. & Ahmadi, MH Preparación y aplicación de membrana de intercambio de protones de polímero aromático con bajo grado de sulfonación. En t. J. Chem. Ing. 1–9, 2020. https://doi.org/10.1155/2020/8834471 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Kim, AR, Vinothkannan, M. & Yoo, DJ Fabricación de poliéter sulfona sulfonada binaria y membrana de mezcla de fluoruro de polivinilideno sulfonado-co-hexafluoropropileno como electrolito eficiente para celdas de combustible de membrana de intercambio de protones. Toro. Química coreana. Soc. https://doi.org/10.1002/bkcs.11489 (2018).

Artículo Google Académico

Ko, H.-N., Yu, DM, Choi, J.-H., Kim, H.-J. & Hong, YT Síntesis y caracterización de poli(arileno éter sulfona) sulfonados reticulados iónicos intermoleculares para celdas de combustible de metanol directo. J. Miembro ciencia 390–391, 226–234. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2011.11.044 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Saito, T., Merrill, MD, Watson, VJ, Logan, BE & Hickner, MA Investigación de aglutinantes de cátodos de polímeros iónicos para celdas de combustible microbianas. Electrochim. Acta 55, 3398–3403. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2010.01.009 (2010).

Artículo CAS Google Académico

Mukaddam, M., Litwiller, E. y Pinnau, I. Sorción, difusión y permeación de gas en Nafion. Macromoléculas 49, 280–286. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5b02578 (2015).

Artículo ADS CAS Google Académico

Zhu, X., Yang, W., Hatzell, MC & Logan, BE Recuperación de energía a partir de soluciones con diferentes salinidades basadas en la expansión y contracción de hidrogeles. Reinar. ciencia Tecnología 48, 7157–7163. https://doi.org/10.1021/es500909q (2014).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Cao, H. et al. Regulación de la interacción entre el aglutinante de ionómero y el catalizador: límite activo de triple fase y capa de catalizador de alto rendimiento para celdas de combustible de membrana de intercambio aniónico. Adv. ciencia 8, 2101744. https://doi.org/10.1002/advs.202101744 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Siracusano, S., Baglio, V., Van Dijk, N., Merlo, L. & Aricò, AS Rendimiento y durabilidad mejorados del electrolizador de agua PEM de baja carga de catalizador basado en un ionómero perfluorosulfónico de cadena lateral corta. aplicación Energía 192, 477–489. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.09.011 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Santana, J., Espinoza-Andaluz, M., Li, T. & Andersson, M. Un análisis detallado de la resistencia interna de un PEFC comparando alta y baja humidificación de los gases reactivos. Frente. Res. de energía https://doi.org/10.3389/fenrg.2020.00217 (2020).

Artículo Google Académico

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Este trabajo se realizó en el marco del programa de investigación y desarrollo del Instituto Coreano de Investigación Energética (C2-2455) y contó con el apoyo del Instituto Coreano de Evaluación y Planificación de Tecnología Energética (KETEP) y el Ministerio de Comercio, Industria y Energy(MOTIE) de la República de Corea (No. 20203030040030). Este trabajo también fue apoyado por la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno de Corea (MSIT) (NRF2021R1A5A1084921).

División de Investigación de Energía de Hidrógeno, Centro de Investigación y Demostración de Pilas de Combustible, Instituto Coreano de Investigación Energética (KIER), 20-41 Sinjaesaengeneogi-ro, Haseo-myeon, Buan-gun, Jeollabuk-do, 56332, República de Corea

Jung-Eun Cha, Jeemin Hwang, Dong-Jun Seo y Young-Woo Choi

Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH), 77 Cheongam-ro, Nam-gu, Pohang, Gyeongbuk, 37673, República de Corea

Jung-Eun Cha y Won Bae Kim

Clean&Science Co., Ltd., Factory 67, 3Sandan 3gil, Buk-myeon, , Jeongeup-si, Jeollabuk-do, 56137, República de Corea

Won Jae Cho

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J.-EC: Conceptualización, Metodología, Investigación, Redacción-Borrador original. WJC: Curación de datos, investigación. JH: Curación de datos, investigación. D.-JS: Curaduría de datos, investigación. Y.-WC: Supervisión, Redacción-Revisión y Edición. WBK: Supervisión, Revisión.

Correspondencia a Young-Woo Choi o Won Bae Kim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Cha, JE., Cho, WJ, Hwang, J. et al. Mejora del rendimiento de las celdas de combustible a través del efecto estérico de un aglutinante basado en hidrocarburos para el cátodo en celdas de combustible de membrana de intercambio de protones. Informe científico 12, 14001 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18464-6

Descargar cita

Recibido: 22 junio 2022

Aceptado: 12 de agosto de 2022

Publicado: 17 agosto 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18464-6

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