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Performance and efficiency of a DMFC using non-fluorinated composite membranes operating at low/medium temperatures

Silva, V.S. und Weisshaar, S. und Reissner, R. und Ruffmann, B. und Vetter, S. und Mendes, A. und Madeira, L.M. und Nunes, S. (2005) Performance and efficiency of a DMFC using non-fluorinated composite membranes operating at low/medium temperatures. Journal of Power Sources, 145, Seiten 485-494. Elsevier B.V..

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Kurzfassung

In order to increase the chemical/thermal stability of the sulfonated poly(ether ether ketone) (sPEEK) polymer for direct methanol fuel cell (DMFC) applications at medium temperatures (up to 130ºC), novel inorganic-organic composite membranes were prepared using sPEEK polymer as organic matrix (sulfonation degree, SD, of 42 and 68%) modified with zirconium phosphate (ZrPh) pre-treated with n-propylamine and polybenzimidazole (PBI). The analyzed compositions were: 10wt.% ZrPh and 5.6wt.% PBI; 20wt.% ZrPh and 11.2wt.% PBI. These composite membranes were tested in DMFC at several temperatures by evaluating the current-voltage polarization curve, open circuit voltage (OCV) and constant voltage current (CV, 35mV). The fuel cell ohmic resistance (null phase angle impedance, NPAI) and CO<sub>2</sub> concentration in the cathode outlet were also measured. A method is also proposed to evaluate the fuel cell Faraday and global efficiency considering the CH<sub>3</sub>OH, CO<sub>2</sub>, H<sub>2</sub>O, O<sub>2</sub> and N<sub>2</sub> permeation through the proton exchange membrane (PEM) and parasitic oxidation of the crossover methanol in the cathode. In order to improve the analysis of the composite membrane properties, selected characterization results presented in [V.S. Silva, B. Ruff,ann, S. Vetter, A. Mendes, L.M. Madeira, S.P. Nunes, Catal. Todaym in press] were also used in the present study. The unmodified sPEEK membrane with SD=42% (S42) was used as the reference material. In the present study, the composite membrane prepared with sPEEK SD=68% and inorganic composition of 20.0wt.%ZrPh and 11.2wt.%PBI proved to have a good relationship between proton conductivity, aqueous methanol swelling and permeability. DMFC tests results for this membrane showed similar current density output and higher open circuit voltage compared to that of sPEEK with SD=42%, but with much lower CO<sub>2</sub> concentration in the cathode outlet (thus higher global efficiency) and higher thermal/chemical stability. This membrane was also tested at 130ºC with pure oxygen (cathode inlet) and achieved a maximum power density of 50.1 mW cm<sup>-2</sup> at 250 mA cm<sup>-2</sup>.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/21114/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Performance and efficiency of a DMFC using non-fluorinated composite membranes operating at low/medium temperatures
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Silva, V.S.LEPAE, Chemical Engineering Department, University of PortoNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Weisshaar, S.NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Reissner, R.NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ruffmann, B.GKSS Research CentreNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Vetter, S.GKSS Research CentreNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mendes, A.LEPAE, Chemical Engineering Department, University of PortoNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Madeira, L.M.LEPAE, Chemical Engineering Department, University of PortoNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Nunes, S.GKSS Research CentreNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2005
Erschienen in:Journal of Power Sources
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Ja
Band:145
Seitenbereich:Seiten 485-494
Verlag:Elsevier B.V.
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Sulfonated poly(ether ether ketone), Composite membrane, Zirconium phosphate, Polybenzimidazole, Direct methanol fuel cell, Fuel cell characterization
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Rationelle Energieumwandlung (alt)
HGF - Programmthema:E BZ - Brennstoffzellen (alt)
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E BZ - Brennstoffzellen
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Membran-Brennstoffzellen (alt)
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Elektrochemische Energietechnik
Hinterlegt von: Reißner, Regine
Hinterlegt am:18 Jan 2006
Letzte Änderung:27 Apr 2009 04:52

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