Modified polymer electrolyte membranes were fabricated by the applying dc magnetron sputter-deposited Pd thin layers on the surface of the $Nafion^{TM}$ membranes in argon atmosphere. The Pd thin films were characterized by investigating its morphology, methanol permeability, and protonic conductivity. The performance of a direct methanol fuel cell(DMFC) with the modifed polymer electrolyte membrane was also tested by the measurement of its currents and voltages under flowing methanol. The Pd thin film could be a barrier layer to methanol crossover, but the protonic conductivity of the modified polymer membrane was reduced. By using the modified polymer eletrolyte membranes, both the methanol permeability and the protonic conductivity were decreased with increasing the thickness of Pd thin film. However, the performances of DMFC were almost independent on the thickness of Pd thim films. The efffcts of methanol concentration in a feeding fuels on the protonic conductivity and the cell performance were also investigated.
Mother liquid discharged from a salt-manufacturing plant was electrodialyzed at 25 and $40^{\circ}C$ in a continuous process integrated with $SO_4{^{2-}}$ ion low-permeable anion-exchange membranes to remove $Na_2SO_4$ and recover NaCl in the mother liquid. Performance of electrodialysis was evaluated by measuring ion concentration in a concentrated solution, permselectivity coefficient of $SO_4{^{2-}}$ ions against $Cl^-$ ions, current efficiency, cell voltage, energy consumption to obtain one ton of NaCl and membrane pair characteristics. The permselectivity coefficient of $SO_4{^{2-}}$ ions against $Cl^-$ ions was low enough particularly at $40^{\circ}C$ and $SO_4{^{2-}}$ transport across anion-exchange membranes was prevented successfully. Applying the overall mass transport equation, $Cl^-$ ion and $SO_4{^{2-}}$ ion transport across anion-exchange membranes is evaluated. $SO_4{^{2-}}$ ion transport number is decreased due to the decrease of electro-migration of $SO_4{^{2-}}$ ions across the anion-exchange membranes. $SO_4{^{2-}}$ ion concentration in desalting cells becomes higher than that in concentration cells and $SO_4{^{2-}}$ ion diffusion is accelerated across the anion-exchange membranes from desalting cells toward concentrating cells.
Selvakumar, Kanakaraj;Kim, Ae Rhan;Prabhu, Manimuthu Ramesh;Yoo, Dong Jin
Composites Research
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v.34
no.6
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pp.373-379
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2021
A series of novel PBI/SrTiO3 nanocomposite membranes composed of polybenzimidazole (PBI) and strontium titanate (SrTiO3) with a perovskite structure were fabricated with various concentrations of SrTiO3 through a solution casting method. Various characterization techniques such as proton nuclear magnetic resonance, thermogravimetric analysis, atomic force microscopy (AFM) and AC impedance spectroscopy were used to investigate the chemical structure, thermal, phosphate absorption and morphological properties, and proton conductivity of the fabricated nanocomposite membranes. The optimized PBI/SrTiO3-8 polymer nanocomposite membrane containing 8wt% of SrTiO3 showed a higher proton conductivity of 7.95 × 10-2 S/cm at 160℃ compared to other nanocomposite membranes. The PBI/SrTiO3-8 composite membrane also showed higher thermal stability compared to pristine PBI. In addition, the roughness change of the polymer composite membrane was also investigated by AFM. Based on these results, nanocomposite membranes based on perovskite structures are expected to be considered as potential candidates for high-temperature PEM fuel cell applications.
Microbial fuel cells (MFCs) are a bioelectrochemical system where electrochemically active bacteria convert organic waste into electricity. Poly(vinyl alcohol) (PVA) and chitosan (CS) are polymers that have been studied as potential alternative ion exchange membranes to Nafion for many electrochemical systems. This study examined the optimal mixing ratio of PVA and chitosan CS in a PVA:CS composite membrane for MFC applications. PVA:CS composite membranes with 1:1, 2:1, and 3:1 ratios were synthesized and tested. The water uptake and ion exchange capacity, Fourier transform infrared spectra, and scanning electron microscopy images were analyzed to determine the physicochemical properties of PVA:CS membranes. The prepared membranes were applied to the ion exchange membrane of the MFC system, and their effects on the electrochemical performance were evaluated. These results showed that the composite membrane with a 3:1 (PVA:CS) ratio showed comparable performance to the commercialized Nafion membrane and produced more electricity than the other synthesized membranes. The PVA:CS membrane implemented MFCs produced a maximum power density of 0.026 mW cm-2 from organic waste with stable performance. Therefore, it can be applied to a cost-effective MFC system.
The sulfonated poly(styrene-divinylbenzene-acrylonitrile) (ST-DVB-AN) composite polymer electrolyte membrane based on the original PVC film was successfully synthesized to improve oxidative stability using semi-interpenetrated polymer network (semi-IPN). Weight gain ratio after copolymerization was enhanced by the DVB and AN contents, and the sulfonated membranes were characterized in terms of proton conductivity (k), ion exchange capacity (IEC), and water uptake ($W_U$). The effect of DVB content and AN addition were thoroughly investigated by comparing the resulted properties including oxidative stability. The obtained ST-DVB-AN composited semi-IPN membranes showed relatively high proton conductivity and IEC compared with Nafion117, and greatly improved oxidative stability of the synthesized membrane was obtained. This study demonstrated that a semi-interpenetrated sulfonated ST-DVB-AN composited membrane reinforced by PVC polymer network is a promising candidate as an inexpensive polymer electrolyte membrane for fuel cell applications.
Proton exchange membrane (PEM), which transfers proton from the anode to the cathode, is the key component of the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Nafion is widely used as PEM due to its high proton conductivity as well as excellent chemical and physical stabilities. However, its high cost and the environmental hazards limit the commercial application in PEMFCs. To overcome these disadvantages, various alternative polymer electrolytes have been investigated for fuel cell applications. We used densely sulfonated polymers to maximize the ion conductivity of the corresponding membrane. To overcome high swelling, dipole-dipole interaction was used by introducing nitrile groups into the polymer backbone. As a result, physically-crosslinked membranes showed improved swelling ratio despite of high water uptake. All the membranes with different hydrophilic-hydrophobic compositions showed higher conductivity, despite their lower IEC, than that of Nafion-117.
Kim, Deuk-Ju;Hwang, Hae-Young;Kim, Se-Jong;Hong, Young-Taik;Kim, Hyoung-Juhn;Leem, Tae-Hoon;Nam, Sang-Yong
Journal of Hydrogen and New Energy
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v.22
no.1
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pp.42-50
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2011
The Montmorillonite (MMT) in the polymer matrix is expected to reduce methanol permeability due to the tortous path formed by dispersed silicate layers. However, the polymer composite membranes containing non-proton conducting inorganic particle tend to show low proton conductivity. To solve this problem, we used an ion exchange method to prepare functionalized MMT with various silane coupling agents. The modified MMT was randomly dispersed in sulfonated poly (arylene ether sulfone) (SPAES) matrix to prepare SPAES/modified MMT composite membranes. The performances of hybrid membranes for DMFCs application were investigated. The SPAES/modified composite membrane showed increased proton conductivity compared with the non-modified MMT composite membrane. However, the methanol permeability of the SPAES/modified membrane was higher than that of the non-modified MMT.
Vibrio parahaemolyticus contamination causes serious foodborne illness and has become a global health problem. As a disinfectant, aqueous ozone can effectively kill a number of bacteria, viruses, parasites, and other microorganisms. In this study, three factors, namely, the aqueous ozone concentration, the exposure time, and the bacterial density, were analyzed by response surface methodology, and the aqueous ozone concentration was the most influential factor in the sterilization ratio. Under low aqueous ozone concentrations (less than 0.125 mg/l), the bacterial cell membranes remained intact, and the ozone was detoxified by intracellular antioxidant enzymes (e.g., superoxide dismutase and catalase). Under high aqueous ozone concentrations (more than 1 mg/l), cell membranes were damaged by the degree of peripheral electronegativity at the cell surface and the concentration of lactate dehydrogenase released into the extracellular space, and the ultrastructures of the cells were confirmed by transmission electron microscopy. Aqueous ozone penetrated the cells through leaking membranes, inactivated the enzymes, inhibited almost all the genes, and degraded the genetic materials of gDNA and total RNA, which eventually led to cell death.
Membrane characterization methods for aqueous redox flow batteries aqueous RFBs were modified for non-aqueous RFBs. The modified characterization methods, such as ion exchange capacity, transport number, permeability and single cell test, were carried out to evaluate commercial membranes in non-aqueous electrolyte. It was found that columbic efficiency and energy efficiency in a single cell test were dependent on the ion selectivity of commercial anion exchange membranes. Neosepta AHA anion exchange membrane showed the anion transport number of 0.81, which is a relatively low ion selectivity in non-aqueous electrolyte, however, exhibited 92% of coulombic efficiency and 86% of energy efficiency in a single cell test. It was also found that a porous membrane without ion selectivity is suitable for a non-aqueous redox flow battery at a high current density.
Hyun Woo Kang;Doo Sung Hwang;Chi Hoon Park;Young Moo Lee
Membrane Journal
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v.33
no.3
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pp.127-136
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2023
In this study, the electrochemical performance of a 5-layer fuel cell stack using silica composite membranes as polymer electrolyte membranes was evaluated. It was observed that the flow rate of the fuel gases plays a crucial role in stack performance, particularly being mainly dependent on the flow rate of hydrogen. Increasing the flow rate of oxygen resulted in negligible changes in performance, whereas an increase in the flow rate of hydrogen demonstrated performance improvements. However, this led to an imbalance in the ratio of hydrogen to oxygen flow rates, causing significant degradation in stack performance and durability. A decline in stack performance was also observed over time due to the degradation of stack components. This phenomenon was consistently observed in individual unit cells. Based on these findings, it was emphasized that, in addition to optimizing the performance of each component during stack operation, it is important to optimize design and operating conditions for uniform flow rate control. Lastly, the developed silica composite membrane was assessed to have sufficient performance for application in actual fuel cell systems, exhibiting a performance of over 25 W based on maximum power.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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