The Influence of Inert Fluoropolymer on Equilibrium and Dynamic Hydration Characteristics of MF-4SC Membrane

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The influence of the type and amount of an inert component in perfluorinated MF-4SC sulfonic cation-exchange membrane on its equilibrium physicochemical and transport properties has been studied. The exchange capacity, water content, specific conductivity, and diffusion and electroosmotic permeability of two series of MF-4SC membranes obtained by casting from polymer solutions in dimethylformamide with variable contents of inert fluoropolymers have been investigated. A relationship between the equilibrium and dynamic hydration characteristics of the samples has been found as a result of studying water distribution over water binding energies and effective pore radii and the numbers of water transport in an external electric field. The type and content of an inert component in the perfluorinated membrane have been found to affect more significantly the state of water under equilibrium conditions than the electroosmotic water transport.

About the authors

N. A. Kononenko

Kuban State University, 350040, Krasnodar, Russia

Email: shkirskaya@mail.ru
Россия, 350040, Краснодар, ул. Ставропольская, 149

S. A. Shkirskaya

Kuban State University, 350040, Krasnodar, Russia

Email: shkirskaya@mail.ru
Россия, 350040, Краснодар, ул. Ставропольская, 149

M. V. Rybalko

Kuban State University, 350040, Krasnodar, Russia

Email: shkirskaya@mail.ru
Россия, 350040, Краснодар, ул. Ставропольская, 149

D. A. Zotova

Kuban State University, 350040, Krasnodar, Russia

Author for correspondence.
Email: shkirskaya@mail.ru
Россия, 350040, Краснодар, ул. Ставропольская, 149

References

  1. Филиппов С.П., Ярославцев А.Б. Водородная энергетика: перспективы развития и материалы // Успехи химии. 2021. Т. 90. № 6. P. 627–643. https://doi.org/10.1070/RCR5014
  2. Григорьев С.А., Порембский В.И., Фатеев В.Н., Самсонов Р.О., Козлов С.И. Получение водорода электролизом воды: современное состояние, проблемы и перспективы // Транспорт на альтернативном топливе. 2008. № 3(3). С. 62–69.
  3. Иванчев С.С., Мякин С.В. Полимерные мембраны для топливных элементов: получение, структура, модифицирование, свойства // Успехи химии. 2010. Т. 79. № 2. С. 117–134.
  4. Tellez-Cruz M.M., Escorihuela J., Solorza-Feria O., Compan V. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs): Advances and challenges // Polymers. 2021. V. 13. № 18. P. 3064–3117. https://doi.org/10.3390/polym13183064
  5. Okonkwo P.C., Belgacem I.B., Emori W., Uzoma P.C. Nafion degradation mechanisms in proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) system: A review // International Journal of Hydrogen Energy. 2021. V. 46. № 55. P. 27956–27973. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.06.032
  6. Borup R., Meyers J., Pivovar B., Kim Y.S. et al. Scientific aspects of polymer electrolyte fuel cell durability and degradation // Chemical Reviews. 2007. V. 107. № 10. P. 3904–3951. https://doi.org/10.1021/cr050182l
  7. El-Kharouf A., Chandan A., Hattenberger M., Pollet B.G. Proton exchange membrane fuel cell degradation and testing: Review // Journal of the Energy Institute. 2012. V. 85. № 4. P. 188–200. https://doi.org/10.1179/1743967112Z.00000000036
  8. de Bruijn F.A., Dam V.A.T., Janssen G.J.M. Review: Durability and degradation issues of PEM fuel cell components // Fuel Cells. 2008. V. 8. № 1. P. 3–22. https://doi.org/10.1002/fuce.200700053
  9. Sorrentino A., Sundmacher K., Vidakovic-Koch T. Polymer electrolyte fuel cell degradation mechanisms and their diagnosis by frequency response analysis methods: A review // Energies. 2020. V. 13. № 21. P. 5825–5854. https://doi.org/10.3390/en13215825
  10. Григорьев С.А., Джусь К.А., Бессарабов Д.Г., Маркелов В.В., Фатеев В.Н. Исследование механизмов деградации мембранно-электродных блоков твердополимерных электролизеров воды // Электрохимическая энергетика. 2014. Т. 14. № 4. С. 187–196.
  11. Григорьев С.А., Бессарабов Д.Г., Фатеев В.Н. О механизмах деградации характеристик мембранно-электродных блоков при твердополимерном электролизе воды // Электрохимия. 2017. Т. 53. № 3. С. 359–365. https://doi.org/10.7868/80424857017030069
  12. Ярославцев А.Б., Добровольский Ю.А., Шаглаева Н.С., Фролова Л.А., Герасимова Е.В., Сангинов Е.А. Наноструктурированные материалы для низкотемпературных топливных элементов // Успехи химии. 2012. Т. 81. № 3. С. 191–220.
  13. Bauer F., Willert-Porada M. Comparison between Nafion® and a Nafion® zirconium phosphate nano-composite in fuel cell applications // Fuel Cells. 2006. V. 6. № 3–4. P. 261–269. https://doi.org/10.1002/fuce.200500217
  14. Сафронова Е.Ю., Стенина И.А., Ярославцев А.Б. Синтез и исследование гибридных мембран МФ-4СК–SiO2, модифицированных фосфорно-вольфрамовой гетерополикислотой // Журн. неорганической химии. 2010. Т. 55. № 1. С. 16–20.
  15. Prykhodko Y., Fatyeyeva K., Hespel L., Marais S. Progress in hybrid composite Nafion®-based membranes for proton exchange fuel cell application // Chemical Engineering Journal. 2021. V. 409. P. 127329. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127329
  16. Zhang Y., Zhang H., Bi C., Zhu X. An inorganic/organic self-humidifying composite membranes for proton exchange membrane fuel cell application // Electrochimica Acta. 2008. V. 53. № 12. P. 4096–4103. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.12.045
  17. Shkirskaya S.A., Kononenko N.A., Timofeev S.V. Structural and electrotransport properties of perfluorinated sulfocationic membranes modified by silica and zirconium hydrophosphate // Membranes. 2022. V. 12. № 12. P. 979. https://doi.org/10.3390/membranes12100979
  18. Mirfarsi S.H., Parnian M.J., Rowshanzamir S. Self-humidifying proton exchange membranes for fuel cell applications: Advances and challenges // Processes. 2020. V. 8. № 9. P. 1069. https://doi.org/10.3390/pr8091069
  19. Каюмов Р.Р., Сангинов Е.А., Золотухина Е.В., Герасимова Е.В., Букун Н.Г., Укше А.Е., Добровольский Ю.А. “Самоувлажняемые” нанокомпозитные мембраны Nafion/Pt для низкотемпературных твердополимерных топливных элементов // Альтернативная энергетика и экология. 2013. № 13 (135). P. 40–48.
  20. Hagihara H., Uchida H., Watanabe M. Preparation of highly dispersed SiO2 and Pt particles in Nafion®112 for self-humidifying electrolyte membranes in fuel cells // Electrochimica Acta. 2006. V. 51. № 19. P. 3979–3985. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2005.11.012
  21. Yang T. A Nafion-based self-humidifying membrane with ordered dispersed Pt layer // International Journal of Hydrogen Energy. 2008. V. 33. № 10. P. 2530–2535. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.02.060
  22. Yang H.N., Lee D.C., Park S.H., Kim W.J. Preparation of Nafion/various Pt-containing SiO2 composite membranes sulfonated via different sources of sulfonic group and their application in self-humidifying PEMFC // Journal of Materials Science. 2013. V. 443. P. 210–218. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2013.04.060
  23. Кудашова Д.С., Кононенко Н.А., Бровкина М.А., Фалина И.В. Изучение деградации перфторированной мембраны в процессе работы в водородном топливном элементе // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. № 1. С. 29–37. https://doi.org/https://doi.org/10.1134/S2218117222010059
  24. Кудашова Д.С., Фалина И.В., Кононенко Н.А., Демиденко К.С. Физико-химические свойства и эксплуатационные характеристики объемно модифицированных платиной перфторированных мембран при работе в водородном топливном элементе // Мембраны и мембранные технологии. 2023. Т. 13. № 1. С. 23–32. https://doi.org/10.31857/S2218117223010042
  25. Qing G., Kikuchi R., Takagaki A., Sugawara T., Oyama S.T. CsH2PO4/Polyvinylidene fluoride composite electrolytes for intermediate temperature fuel cells // Journal of The Electrochemical Society. 2014. V. 161. № 4. P. F451. https://doi.org/10.1149/2.052404jes
  26. Bagryantseva I.N., Ponomareva V.G., Khusnutdinov V.R. Intermediate temperature proton electrolytes based on cesium dihydrogen phosphate and poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) // Journal of Materials Science. 2021. V. 56. P. 14196–14206. https://doi.org/10.1007/s10853-021-06137-0
  27. Bagryantseva I.N., Kungurtsev Y.E., Ponomareva V.G. Proton-conducting membranes based on CsH2PO4 and copolymer of tetrafluoroethylene with vinylidene fluoride // Chimica Techno Acta. 2022. V. 9. № 3. P. 20229303. https://doi.org/10.15826/chimtech.2022.9.3.03
  28. Falina I., Kononenko N., Timofeev S., Rybalko M., Demidenko K. Nanocomposite membranes based on fluoropolymers for electrochemical energy sources // Membranes. 2022. V. 12. № 10. P. 935. https://doi.org/10.3390/membranes12100935
  29. Balster J.H., Stamatialis D., Wessling M. Electro-catalytic membrane reactors and the development of bipolar membrane technology // Chemical Engineering and Processing. 2004. V. 43. № 9. P. 1115–1127. https://doi.org/10.1016/j.cep.2003.11.010
  30. Nagarale R.K., Gohil G.S., Shahi V.K. Recent developments on ion-exchange membranes and electro-membrane processes // Advances in Colloid and Interface Science. 2006. V. 119. № 2–3. P. 97–130. https://doi.org/10.1016/j.cis.2005.09.005
  31. Berezina N.P., Kononenko N.A., Dyomina O.A., Gnusin N.P. Characterization of ion-exchange membrane materials: Properties vs structure // Advances in Colloid and Interface Science. 2008. V. 139. № 1–2. P. 3–28. https://doi.org/10.1016/j.cis.2008.01.002
  32. Rouquerol J., Baron G., Denoyel R. et al. Liquid intrusion and alternative methods for the characterization of macroporous materials (IUPAC Technical Report) // Pure and Applied Chemistry. 2012. V. 84. № 1. P. 107–136. https://doi.org/10.1351/PAC-REP-10-11-19
  33. Volfkovich Yu., Filippov A., Bagotsky V. Structural Properties of Porous Materials and Powders Used in Different Fields of Science and Technology. London: Springer. 2014. 328 p.
  34. Kononenko N., Nikonenko V., Grande D., Larchet C., Dammak L., Fomenko M., Volfkovich Yu. Porous structure of ion exchange membranes investigated by various techniques // Advances in Colloid and Interface Science. 2017. V. 246. P. 196–216. https://doi.org/10.1016/j.cis.2017.05.007
  35. Назырова Е.В., Кононенко Н.А., Шкирская С.А., Демина О.А. Сравнительное исследование электроосмотической проницаемости ионообменных мембран объемным и гравиметрическим методами // Мембраны и мембранные технологии. 2022. Т. 12. № 3. С. 165–172.https://doi.org/10.31857/S2218117222030063
  36. Термопластичные фторполимеры http://plastpolymer.org/.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (76KB)
Indexing metadata
3.

Download (37KB)
Indexing metadata
4.

Download (35KB)
Indexing metadata
5.

Download (143KB)
Indexing metadata
6.

Download (51KB)
Indexing metadata
7.

Download (30KB)
Indexing metadata
8.

Download (128KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Н.А. Кононенко, С.А. Шкирская, М.В. Рыбалко, Д.А. Зотова