Журнал основ возобновляемой энергии и приложений
Открытый доступ

Абстрактный

Фосфонированные SBA-15/Фосфонированные PSEBS композитные мембраны для высокотемпературных топливных элементов с протонообменной мембраной

Дхармалингам Сангита

Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC) становятся все более привлекательным источником энергии в будущем благодаря своей портативности, бесшумной работе и высокой плотности мощности. Были предприняты усилия по повышению их эффективности, а также по обеспечению доступности технологии. В контексте эффективности топливных элементов играют роль несколько параметров, из которых рабочая температура имеет первостепенное значение. В частности, высокотемпературный топливный элемент с PEM (HTPEMFC) имеет большие преимущества, такие как более высокая эффективность, улучшенная устойчивость электродов к отравлению угарным газом, более быстрая кинетика реакции и эффективная теплопередача. Поскольку протонная проводимость обычно используемых перфторированных мембран, таких как Nafion, сильно зависит от внешнего увлажнения, их рабочая температура ограничена 100 °C. Следовательно, одной из самых больших проблем в PEMFC является изготовление термостабильной мембраны, которая может работать при температурах выше 100 °C в безводных условиях.

В настоящей работе разработаны композитные мембраны фосфонированный SBA-15/фосфонированный поли(стирол-этилен-бутилен-стирол) (PSEBS) для высокотемпературного электролита топливных элементов. Синтезирован мезопористый аморфный материал Santa Barbara (SBA-15), к которому привита фосфонатная функциональность с использованием простого двухэтапного процесса, включающего хлорметилирование и последующее фосфонирование. Фосфонированный SBA-15 (PSBA-15) был охарактеризован с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR), твердотельного ядерного магнитного резонанса (ЯМР) 13C, ЯМР 29Si, ЯМР 31P для подтверждения успешной модификации. Морфологические особенности были проверены с помощью анализа малоугловой рентгеновской дифракции (XRD), сканирующей электронной микроскопии (SEM) и просвечивающей электронной микроскопии TEM. Поли(стирол-этилен-бутилен-стирол) (PSEBS) был выбран в качестве базового полимера, и функциональные группы фосфоновой кислоты были привиты к полимеру с использованием вышеупомянутого подхода, где группы хлорметила (-CH2Cl) были присоединены к основной цепи с использованием алкилирования Фриделя Крафта, за которым следовало фосфонирование хлорметилированного полимера с помощью реакции Михаэлса-Арбузова, что привело к фосфонированному PSEBS (PPSEBS). Функционализация была подтверждена с помощью исследований ЯМР и ИК-Фурье спектроскопии. Композитные мембраны PPSEBS/PSBA-15 были изготовлены с различными концентрациями наполнителя (2, 4, 6 и 8%) PSBA-15. Различные исследования, такие как поглощение воды, ионообменная емкость и протонная проводимость композитных мембран, были проведены в отношении применений топливных элементов. В результате исследований было установлено, что мембрана PPSEBS/PSBA-15 с 6% масс. наполнителя показала максимальную протонную проводимость 8,62 мСм/см при 140 °C. Наконец, мембранно-электродный узел (MEA) был изготовлен с использованием композитной мембраны PPSEBS/6% PSBA, анода из платины (Pt), катода из платины и испытан в  установке топливного элемента собственного производства. Максимальная плотность мощности 226 мВт/см2 и напряжение разомкнутой цепи 0,89 В были достигнуты при 140 °C в неувлажненных условиях.