In-situ sulfonation of targeted silica-filled Nafion for high-temperature PEM fuel cell application
In-situ sulfonation of targeted silica-filled Nafion for high-temperature PEM fuel cell application
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用于高温 PEM 燃料电池应用的靶向二氧化硅填充 Nafion 的原位磺化
DOI：
10.1016/j.ijhydene.2019.02.037
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发表时间：
2019-11
影响因子：
7.2
通讯作者：
Grigoriev Sergey A.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Xu Guoxiao;Wei Zenglv;Li Shuai;Li Jing;Yang Zehui;Grigoriev Sergey A.
在Nafion®膜中填充的二氧化硅被原位磺化（s-WR-Nafion膜），以提高高温和低相对湿度（RH）下的质子传导率。在膜中引入SiO2作为水吸附剂既可以稳定聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）的水平衡，又可以防止膜电极组件（MEA）在低温运行（所谓的冷启动）过程中由于化学水吸附而形成水结晶相。另一方面，当温度升高时，MEA中存在的水提供所需的操作湿度。由于目标填充二氧化硅和有效的-SO 3 H基质子传导通道的协同效应，Nafion®膜的高温质子传导性因此在低RH下显著改善。特别地，这些-WR-Nafion膜的质子传导率在110 °C和60%RH下提高到0.07S/cm。同时，由于Nafion®原有结构的完整性，WR-Nafion膜的机械、氧化和热稳定性不会衰减。因此，在110 °C和20%RH下，基于WR-Nafion膜的燃料电池的最大输出功率比原始Nafion®膜的最大输出功率高约65%。综上所述，WR-Nafion膜在高温质子交换膜燃料电池中具有良好的应用前景。
Silica targeted filled in Nafion® membrane isin-situ sulfonated (s-WR-Nafion membrane) to improve the proton conductivity at high-temperature and low relative humidity (RH). The silica introduction as water sorbent in the membrane can both stabilize water balance for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) and prevent the formation of the water crystalline phase in membrane-electrode assemblies (MEAs) in course of sub-zero temperature operation (so-called cold start) owing to chemical water adsorption. On the other hand, water presence in MEAs provides required operating humidity when temperature increases. Due to the synergistic effect of the targeted filled silica and the efficient –SO3H based proton conductive channel, high temperature proton conductivity of the Nafion® membrane is therefore significantly improved at low RH. Particularly, proton conductivity of thes-WR-Nafion membrane is raised to 0.07 S/cm at 110 °C and 60% RH. At the same time, mechanical, oxidative and thermal stabilities of thes-WR-Nafion membrane are not decayed due to the integrity of the original structure of Nafion®. As a result, the maximum output power of thes-WR-Nafion membrane-based fuel cell isca.65% higher than that of the pristine Nafion® membrane at 110 °C and 20% RH. Above all, thes-WR-Nafion membrane exhibit promising application potential for high-temperature PEMFC.
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