Recent progress on nafion-based nanocomposite membranes for fuel cell applications

Macromolecular Materials and Engineering

Volumn 294, Issue 11, 2009, Pages 719-738

  Cele, Nonhlanhla ^a   Ray, Suprakas Sinha ^a  

^a DSI CSIR Nanotechnology Innovation Centre   (South Africa)

Author keywords

Catalysts; Fabrication; Nafion; Nanocomposite membranes; Nanoparticles

Indexed keywords

FILLER CONTENTS; FUEL CELL APPLICATION; HIGH EFFICIENCY; MATRIX; NAFION; NANOCOMPOSITE MEMBRANES; NANOSTRUCTURED ELECTROLYTES; RECENT PROGRESS; THERMAL STABILITY; THERMO-MECHANICAL;

CATALYSIS; CATALYSTS; NANOCOMPOSITES; NANOPARTICLES; PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELLS (PEMFC); PROTONS;

MEMBRANES;

EID: 73649103731     PISSN: 14387492     EISSN: 14392054     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/mame.200900143     Document Type: Review

References (134)

1. H. F. Cui, J. S. Ye, W. D. Zhang, J. Wang, F. S. Sheu, J. Electroanal. Chem. 2005, 577, 295.
2. A. V. Anantaraman, C. L. Gardner, J. Electroanal. Chem. 1996, 414, 115.
3. N. Sugishima, J. T. Hinatsu, F. R. Foulkes, J. Electrochem. Soc. 1994, 141, 3325.
4. V. Plzak, B. Rohland, "Advanced Electrochemical Hydrogen Technologies", in: Modern Aspects of Electrochemistry, B. E. Conway, J. O. M. Bockris, R. E. White, Eds., Plenum Press, New York 1994.
5. K. V. Kordesch, G. R. Simander, Chem. Rev. 1995, 95, 191.
6. Y. Shen, X. Qiu, J. Shen, J. Xi, W. Zhu, J. Power Sources 2006, 16, 54.
7. Fuel Cell Basics. Downloaded from http://americanhistory.si.edu/ fuelcells/basics.htm# (November 2nd, 2008).
8. Fuel Cell Handbook, 5th edition, Report prepared by EG&G Services, Parsons, Inc., and Science Applications International Corporation under contract no. DE-AM26-99FT40575 for the U.S. Department of Energy, National Energy Technology Laboratory, October 2000.
9. M. Doyle, G. Rajendran, in: Handbook of Fuel Cell Fundamentals, W. Vielstich, A. Lamm, H. A. Gasteiger, Eds., Wiley-VCH, Weinheim 2003.
10. T. Thampan, S. Malhotra, R. Datta, Catal. Today 2001, 67, 15.
11. A. Katchalsky, R. A. Curran, F. Peter, Nonequilibrium Thermodynamics in Biophysics, Harvard University Press, Boston 1965.
12. P. Jannasch, Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2003, 8, 96.
13. E. Schneider, D. Sagan, Into the Cool: Energy Flow, Thermodynamics, and Life, University of Chicago Press, Chicago 2005.
14. R. B. Gunn, F. Peter, R. A. Curran, Biophys. J. 1971, 11, 559.
15. I. Ledneczki, M. Darányi, F. Fülöp, A. Molnár, Catal. Today 2005, 100, 437.
16. N. Miyake, J. S. Wainright, R. F. Savinell, J. Electrochem. Soc. 2001, 148, A898.
17. B. Tazi, O. Savadogo, Electrochim. Acta 2000, 45, 4329.
18. S. Banerjee, D. E. Curtin, J. Fluorine Chem. 2004, 125, 1211.
19. D. A. Hounshell, J. K. Smith, Jr., DuPont, R&D, 1902-1980.
20. K. Johns, G. Stead, J. Fluorine Chem. 2000, 104, 5.
21. T. D. Gierke, W. Y. Hsu, A. Eisenberg, H. L. Yeager, Eds., Perfluorinated Ionomer Membranes, ACS Symposium Series, American Chemical Society, Washington 1982.
22. L. Hong, Y. Zhou, N. Chen, K. Li, J. Colloid Interface Sci. 1999, 218, 233.
23. C. Heitner-Wirguin, J. Membr. Sci. 1996, 120, 1.
24. W. G. Grot, Macromol. Symp. 1994, 82, 161.
25. H. R. Zelsmann, M. Pineri, M. Thomas, M. Escoubes, J. Appl. Polym. Sci. 1990, 41, 1673.
26. T. Xue, R. B. Longwell, K. Osseo-Asare, J. Membr. Sci. 1991, 58, 175.
27. S. Sinha Ray, M. Okamoto, Prog. Polym. Sci. 2003, 28, 1539;
28. F. F. Fang, H. J. Choi, J. Joo, J. Nanosci. Nanotechnol. 2008, 8, 1559;
29. S. Pavlidou, C. D. Papaspyrides, Prog. Polym. Sci. 2008, 33, 1119;
30. M. Alexandre, P. Dubois, Mater. Sci. Eng. 2000, R28, 1;
31. J. H. Park, H. M. Lee, I. J. Chin, H. J. Choi, H. K. Kim, W. G. Kang, J. Phys. Chem. Solids 2008, 69, 1375.
32. J. W. Kim, F. Liu, H. J. Choi, S. H. Hong, J. Joo, Polymer 2003, 44, 289;
33. H. B. Kim, J. S. Choi, C. H. Lee, S. T. Lim, M. S. Jhon, H. J. Choi, Eur. Polym. J. 2005, 41, 679;
34. S. K. Lim, J. W. Kim, I. Chin, Y. K. Kwon, H. J. Choi, Chem. Mater. 2002, 14, 1989.
35. S. Sinha Ray, M. Bousmina, Prog. Mater. Sci. 2005, 50, 962;
36. V. Causin, C. Marega, A. Marigo, G. Ferrara, A. Ferraro, R. Selleri, J. Nanosci. Nanotechnol. 2008, 8, 1823.
37. H. Fischer, Mater. Sci. Eng. 2003, C23, 763.
38. G. Lagaly, Appl. Clay Sci. 1999, 15, 1.
39. E. P. Giannelis, Adv. Mater. 1996, 8, 29.
40. P. C. LeBaron, Z. Wang, T. J. Pinnavaia, Appl. Clay Sci. 1999, 15, 11.
41. R. A. Vaia, H. D. Wagner, Mater. Today 2004, 7, 32.
42. Q. H. Zeng, A. B. Yu, G. Q. Lu, D. R. Paul, J. Nanosci. Nanotechnol. 2005, 5, 1574.
43. W. E. Gacitua, A. A. Ballerini, J. Zhang, Maderas Ciencia y Technologia 2005, 7, 159.
44. S. Singh, S. Sinha Ray, J. Nanosci. Nanotechnol. 2007, 7, 2596.
45. M. A. Osman, V. Mittal, H. R. Lusti, Macromol. Rapid Commun. 2004, 25, 1145.
46. A. B. Morgan, Polym. Adv. Technol. 2006, 17, 206.
47. A. Mudaliar, Q. Yuan, R. D. K. Misra, Polym. Eng. Sci. 2006, 46, 1625.
48. G. Schmidt, M. M. Malwitz, Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2003, 8, 103.
49. B. Pascal, A. B. Allen, C. Peter, W. Andy, J. Mater. Chem. 2003, 13, 2540.
50. E. Ruiz-Hitzky, P. Aranda, B. Casal, J. C. Galvan, Adv. Mater. 1995, 7, 180.
51. S. Sinha Ray, J. Ind. Eng. Chem. 2006, 6, 811.
52. G. Pourcelly, C. Gavach, in: Proton Conductors, P. Colomban, (Ed., Cambridge University Press, Cambridge 1992, p. 45.
53. S. Sinha Ray, Macromol. Mater. Eng. 2009, 294, 281;
54. S. Mehta, F. M. Mirabella, K. Rufener, A. Bafna, J. Appl. Polym. Sci. 2004, 92, 928;
55. P. D. Fasulo, W. R. Rodgers, R. A. Ottaviani, Polym. Eng. Sci. 2004, 44, 1036;
56. C. Marega, V. Causin, A. Marigo, G. Ferrara, J. Appl. Polym. Sci. 2009, 113, 3920;
57. K. Masenelli-Varlot, G. Vigier, A. Vermogen, C. Gauthier, J. Y. Cavaille, J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2007, 45, 1243;
58. C. Marega, V. Causin, A. Marigo, G. Ferrara, H. Tonnaer, J. Nanosci. Nanotechnol. 2009, 9, 2704.
59. D. H. Jung, S. Y. Cho, D. H. Peck, D. R. Shin, J. S. Kim, J. Power Sources 2003, 118, 205.
60. J. M. Thomassin, C. Pagnoulle, D. Bizzari, G. Caldarella, A. Germain, R. Jerome, Polymer 2005, 46, 11389.
61. J. M. Thomassin, C. Pagnoulle, D. Bizzari, G. Caldarella, A. Germain, R. Jerome, e-Polymer 2004, 18, 1;
62. J. M. Thomassin, C. Pagnoulle, D. Bizzari, G. Caldarella, A. Germain, R. Jerome, J. Membr. Sci. 2006, 270, 50.
63. H. Rhee, H. K. Kim, H. Chang, J. S. Lee, Chem. Mater. 2005, 17, 1691.
64. M. K. Song, S. B. Park, Y. T. Kim, K. H. Kim, S. K. Min, H. W. Rhee, Electrochim. Acta 2004, 50, 639.
65. R. F. Silva, S. Passerini, A. Pozio, Electrochim. Acta 2005, 50, 2639.
66. T. K. Kim, M. Kanga, Y. S. Choi, H. K. Kim, W. Lee, H. Chang, D. Seung, J. Power Sources 2007, 165, 1.
67. L. Zhang, J. Xu, G. Hou, H. Tang, F. Deng, J. Colloid Interface Sci. 2007, 311, 38.
68. R. H. Alonso, L. Estevez, H. Lian, A. Kelarakis, E. P. Giannelis, Polymer 2009, 50, 2402.
69. E. Burgaz, H. Lian, R. H. Alonso, L. Estevez, A. Kelarakis, E. P. Giannelis, Polymer 2009, 50, 2384.
70. J. Bernholc, C. Roland, B. I. Yakobson, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 1997, 2, 706;
71. C. N. R. Rao, R. Sen, A. Govindaraj, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 1996, 1, 279;
72. J. N. Coleman, U. Khan, W. J. Blau, Y. K. Guń ko, Carbon 2006, 44, 1624.
73. X. L. Xie, Y. W. Mai, X. P. Zhou, Mater. Sci. Eng. R 2005, 49, 89.
74. K. Zhang, J. Y. Lim, H. J. Choi, Diamond Relat. Mater. 2009, 18, 316;
75. S. T. Kim, H. J. Choi, S. M. Hong, Colloid Polym. Sci. 2007, 85, 593;
76. S. J. Park, M. S. Cho, S. T. Lim, H. J. Choi, M.S. J Macromol. Rapid Commun. 2003, 24, 1070;
77. J. N. Coleman, M. Cadek, K. P. Ryan, A. Fonseca, J. B. Nagy, W. J. Blau, M. S. Ferreira, Polymer 2006, 47, 8556.
78. P. M. Ajayan, L. S. Schadler, P. V. Braun, Nanocomposite Science and Technology, Wiley-VCH, Weinheim 2003.
79. J. Qiu, C. Zhang, B. Wang, R. Liang, Nanotechnology 2007, 18, 275708.
80. K. I. Winey, T. Kashiwagi, M. Mu, Mater. Res. Soc. Bull. 2007, 32, 348.
81. S. Sinha Ray, S. Vaudreuil, A. Maazouz, M. Bousmina, J. Nanosci. Nanotechnol. 2006, 6, 2191.
82. H. Miyagawa, A. K. Mohanty, T. L. Drzal, M. Misra, Nanotechnology 2005, 16, 118.
83. C. S. Choi, B. J. Park, H. J. Choi, Diamond Relat. Mater. 2007, 16, 1170;
84. L. J. Ci, J. B. Bai, Compos. Sci. Technol. 2006, 66, 599;
85. S. J. Park, M. S. Cho, S. T. Lim, H. J. Choi, M. S. Jhon, Macromol. Rapid Commun. 2005, 26, 1563.
86. M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P. C. Eklund, Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Academic Press, San Diego 1996.
87. J. P. Lu, Phys. Rev. Lett. 1997, 79, 1297.
88. P. J. F. Harries, Carbon Nanotubes and Related Structures, Cambridge University Press, Cambridge 1999.
89. L. Soloviova, M. Marder, Russian Matryoshka, Interbook, Moscow 1993.
90. L. N. Soloviova, Matryoshka: A Russian Souvenir, Interbook Business, Moscow 1997.
91. Y. H. Liu, B. Yi, Z. G. Shao, D. Xing, H. Zhang, Electrochem. Solid State Lett. 2006, 9, 356.
92. J. M. Thomassin, J. Kollar, G. Caldarella, A. Germain, R. Jerome, C. Detrembleur, J. Membr. Sci. 2007, 303, 252.
93. N. Cele, S. Sinha Ray, M. Ndwandwe, unpublished results.
94. K. A. Mauritz, R. M. Warren, Macromolecules 1989, 22, 1730.
95. I. D. Stefanithis, K. A. Mauritz, Macromolecules 1990, 23, 2397.
96. K. A. Mauritz, Mater. Sci. Eng. 1998, C6, 121.
97. P. Dimitrova, K. A. Friedrich, U. Stimming, B. Vogt, Solid State Ionics 2002, 150, 115.
98. P. L. Antonucci, A. S. Ario, P. Creti, E. Ramunni, V. Antonucci, Solid State Ionics 1999, 125, 431.
99. Z. G. Shao, P. Joghee, I. M. Hsing, J. Membr. Sci. 2004, 229, 43.
100. P. Staiti, A. S. Arico, V. Baglio, F. Lufrano, E. Passalacqua, V. Antonucci, Solid State Ionics 2001, 145, 101.
101. K. T. Adjemian, S. J. Lee, S. Srinivasan, J. Benziger, A. B. Bocarsly, J. Electrochem. Soc. 2002, 149, 256.
102. D. H. Jung, S. Y. Cho, D. R. Shin, J. S. Kim, J. Power Sources 2002, 106, 173.
103. W. Xu, T. Liu, C. Liu, W. Xing, Electrochim. Acta 2005, 50, 3280.
104. C. Li, G. Suna, S. Rena, J. Liu, Q. Wang, Z. Wu, H. Sun, W. Jin, J. Membr. Sci. 2006, 272, 50.
105. M. Hickner, Y. S. Kim, F. Wang, J. E. McGrath, T. Zawodzinski, in: Proceedings of the American Society for Composites. Sixteenth Technical Conference, Virginia, USA, Sep. 10-12, 2001, p. 323.
106. Y. S. Kim, M. Hill, F. Wang, M. Hickner, Y. T. Hong, T. A. Zawodzinski, J. E. McGrath, Eighth International Symposium on Polymer Electrolytes Santa Fe, May 19-24 2002.
107. M. Watanabe, H. Uchida, U. Emori, J. Electrochem. Soc. 1998, 145, 1137.
108. E. Chida, Y. Mizuno, L. Agihara, M. Watanabe, Chem. Lett. 2000, 20, 1268.
109. M. Watanabe, H. Uchida, H. Igarashi, Macromol. Symp. 2000, 156, 223.
110. C. Yang, C. Srinivasan, A. B. Bocarsly, S. Tulyani, J. B. Benziger, J. Membr. Sci. 2004, 237, 145.
111. J. T. Hinatsu, M. Mizuhata, H. Takenaka, J. Electrochem. Soc. 1994, 141, 1493.
112. P. Futerko, I. M. Hsing, J. Electrochem. Soc. 1999, 146, 2049.
113. G. Alberti, M. Casciola, S. Cavalaglio, R. Vivani, Solid State Ionics 1999, 125, 91.
114. Y. J. Kim, W. C. Choi, S. I. Woo, W. H. Hong, Electrochem. Acta 2004, 29, 3227.
115. Y. M. Kim, K. W. Park, J. H. Choi, I. S. Park, Y. E. Sung, Electrochem. Commun. 2003, 5, 571.
116. F. Bauer, M. Willert-Porada, J. Membr. Sci. 2004, 233, 141.
117. V. Ramani, H. R. Kunz, J. M. Fenton, J. Membr. Sci. 2004, 232, 31.
118. J.-H. Tian, P.-F. Gao, Z.-Y. Zhang, W.-H. Luo, Z.-Q. Shan, Int. J. Hydrogen Energy 2008, 33, 5686.
119. B. Ruffmann, H. Silva, B. Schulte, S. P. Nunes, Solid State Ionics 2003, 162, 269.
120. Y. S. Kima, L. Donga, M. A. Hicknera, B. S. Pivovarb, J. E. McGrath, Polymer 2003, 44, 5729.
121. C. A. Wilkie, J. R. Thomsen, M. L. Mittleman, J. Appl. Polym. Sci. 1991, 42, 901.
122. K. A. Mautritz, R. F. Storey, C. K. Jones, in: Multiphase Polymers: Blends and Ionomers, ACS Symposium Series 395, L. K. Utracki, R. A. Weiss, Eds., American Chemical Society, Washington 1989, p. 401.
123. K. A. Mautritz, I. D. Stefanithis, S. V. Davis, R. W. Scheetz, R. K. Pope, G. L. Willes, H. H. Haung, J. Appl. Polym. Sci. 1995, 55, 181.
124. V. Tricoli, J. Electrochem. Soc. 1998, 145, 3798.
125. E. L. Cussler, S. E. Hughes, W. J. Ward, R. Aris, J. Membr. Sci. 1988, 38, 161;
126. J. P. DeRocher, B. T. Gettelfinger, J. S. Wang, E. E. Nuxoll, E. L. Cussler, J. Membr. Sci. 2005, 254, 21.
127. T. Zadowzinski, J. Davey, J. Valerio, S. Gottesfeld, Electrochim. Acta 1995, 40, 297.
128. F. Barbir, "Progress in PEM fuel cell system development", in: Hydrogen Energy Systems, Y. Yurum, (Ed., NATO ASI Series E. Vol. 295, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 1995, p. 203;
129. J. O'M., Bockris, S. Srinivasan, Fuel Cells: Their Electrochemistry, McGraw-Hill New York 1969.
130. J. Kim, S. M. Lee, S. Srinivasan, C. E. Chamberlain, J. Electrochem. Soc. 1995, 142, 2670.
131. S. Surampudi, S. R. Narayanan, E. Vamos, H. Frank, G. Halpert, Proceedings of the Eighth Annual Battery Conference on Applications and Advances, Long Beach, CA January 1993.
132. A. K. Shukla, P. A. Christensen, A. Hamnett, M. P. Hogarth, J. Power Sources 1995, 55, 87.
133. K. Tadanaga, H. Yoshida, A. Matsuda, T. Minami, M. Tatsumisago, Electrochem. Commun. 2003, 5, 644.
134. P. Mukoma, B. R. Jooste, H. C. M. Vosloo, J. Power Sources 2004, 136, 16.