Электроформование мембран из ацетата целлюлозы: оптимизация свойств для топливных элементов
https://doi.org/10.20914/2310-1202-2025-2-
Abstract
В настоящей работе проведено комплексное исследование процесса электроформования мембран из ацетата целлюлозы для применения в низкотемпературных топливных элементах. Основной акцент сделан на изучении взаимосвязи между параметрами технологического процесса, морфологическими характеристиками получаемых материалов и их функциональными свойствами.Экспериментальные исследования включали детальный анализ влияния концентрации полимерного раствора, соотношения растворителей и режимов электроформования на формирование волокнистой структуры. Особое внимание уделено изучению реологических характеристик рабочих растворов и их влиянию на процесс формирования волокон. Методами электронной микроскопии установлены ключевые закономерности образования волокнистых структур при различных технологических параметрах.Результаты исследования демонстрируют возможность целенаправленного управления морфологией мембран за счет варьирования состава полимерного раствора и параметров электроформования. Установлены критические значения технологических параметров, обеспечивающие получение материалов с оптимальной структурой и свойствами. Проведен сравнительный анализ характеристик разработанных мембран с коммерческими аналогами, показавший их конкурентные преимущества.Полученные результаты имеют важное практическое значение для развития технологий создания мембранно-электродных узлов топливных элементов. Разработанные подходы к управлению процессом электроформования позволяют получать материалы с воспроизводимыми характеристиками и могут быть использованы для оптимизации промышленного производства мембран. Исследование вносит существенный вклад в решение актуальных проблем создания эффективных и экономичных материалов для альтернативной энергетики.
About the Authors
Артём Мошков
Бакалавриат и магистратура Высшая школа технологии и энергетики (ВШТЭ) в Санкт-Петербурге, прохожу аспирантуру в ИТМО, работаю технологом в ООО "Геоцем"
Russian Federation
Russian Federation
Анита Кецко
магистрант, факультет [960] Центр ХИ , образовательная программа Хемоинформатика и биоинженерия / Chemoinformatics and Bioengineering 2023 ИТМО
Russian Federation
Russian Federation
Анна Василевская
студент, 4-й курс, группа H34232, факультет [960] Центр ХИ , образовательная программа Биоинженерия 2021 , специализация Биоинженерия ИТМО
Russian Federation
Russian Federation
Алина Пономарева
кандидат технических наук, доцент (квалификационная категория "ординарный доцент"), [960] центр химической инженерии Центр химической инженерии, Университет ИТМО, Кронверкский проспект, дом 49, литера А, Санкт-Петербург, 197101, Россия
Дальневосточный федеральный университет, 690922, Российская Федерация, Владивосток, п. Аякс, д. 10
Russian Federation
Russian Federation
References
1. Wang Y., Chen K.S., Mishler J. et al. A review of polymer electrolyte membrane fuel cells: Technology, applications, and needs on fundamental research // Applied Energy. — 2011. — Vol. 88, № 4. — P. 981–1007. DOI: 10.1016/j.apenergy.2010.09.030
2. Steele B.C.H., Heinzel A. Materials for fuel-cell technologies // Nature. — 2001. — Vol. 414. — P. 345–352. DOI: 10.1038/35104620
3. Mauritz K.A., Moore R.B. State of understanding of Nafion // Chemical Reviews. — 2004. — Vol. 104, № 10. — P. 4535–4586. DOI: 10.1021/cr0207123
4. Borup R., Meyers J., Pivovar B. et al. Scientific aspects of polymer electrolyte fuel cell durability and degradation // Chemical Reviews. — 2007. — Vol. 107, № 10. — P. 3904–3951. DOI: 10.1021/cr050182l
5. Winter M., Brodd R.J. What are batteries, fuel cells, and supercapacitors? // Chemical Reviews. — 2004. — Vol. 104, № 10. — P. 4245–4269. DOI: 10.1021/cr020730k
6. Mehta V., Cooper J.S. Review and analysis of PEM fuel cell design and manufacturing // Journal of Power Sources. — 2003. — Vol. 114, № 1. — P. 32–53. DOI: 10.1016/S0378-7753(02)00542-6
7. Hickner M.A., Ghassemi H., Kim Y.S. et al. Alternative polymer systems for proton exchange membranes // Chemical Reviews. — 2004. — Vol. 104, № 10. — P. 4587–4612. DOI: 10.1021/cr020711a
8. Gasteiger H.A., Kocha S.S., Sompalli B. et al. Activity benchmarks and requirements for Pt, Pt-alloy, and non-Pt oxygen reduction catalysts // Journal of the Electrochemical Society. — 2005. — Vol. 152, № 5. — P. A970–A977. DOI: 10.1149/1.1856988
9. Kreuer K.D. On the development of proton conducting polymer membranes for fuel cells // Journal of Membrane Science. — 2001. — Vol. 185, № 1. — P. 29–39. DOI: 10.1016/S0376-7388(00)00632-3
10. Shao Y., Yin G., Gao Y. Understanding and approaches for the durability issues of Pt-based catalysts for PEM fuel cell // Journal of Power Sources. — 2007. — Vol. 171, № 2. — P. 558–566. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2007.07.004
11. Zhang J., Xie Z., Zhang J. et al. High temperature PEM fuel cells // Journal of Power Sources. — 2006. — Vol. 160, № 2. — P. 872–891. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2006.05.034
12. Smitha B., Sridhar S., Khan A.A. Solid polymer electrolyte membranes for fuel cell applications // Journal of Membrane Science. — 2005. — Vol. 259, № 1–2. — P. 10–26. DOI: 10.1016/j.memsci.2005.01.035
13. Li Q., He R., Jensen J.O. et al. Approaches and recent development of polymer electrolyte membranes for fuel cells // Chemical Reviews. — 2003. — Vol. 103, № 10. — P. 4557–4588. DOI: 10.1021/cr020714u
14. Peighambardoust S.J., Rowshanzamir S., Amjadi M. Review of the proton exchange membranes for fuel cell applications // International Journal of Hydrogen Energy. — 2010. — Vol. 35, № 17. — P. 9349–9384. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2010.05.017
15. Neburchilov V., Martin J., Wang H. et al. A review of polymer electrolyte membranes for direct methanol fuel cells // Journal of Power Sources. — 2007. — Vol. 169, № 2. — P. 221–238. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2007.01.053
16. Park C.H., Lee C.H., Guiver M.D. et al. Sulfonated hydrocarbon membranes for medium-temperature and low-humidity proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) // Progress in Polymer Science. — 2011. — Vol. 36, № 11. — P. 1443–1498. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2011.01.002
17. Bose S., Kuila T., Nguyen T.X.H. et al. Polymer membranes for high temperature proton exchange membrane fuel cell // Progress in Polymer Science. — 2011. — Vol. 36, № 6. — P. 813–843. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2010.11.003
18. Rubinstein M., Colby R.H. Polymer Physics. — Oxford: Oxford University Press, 2003. — 440 p.
19. Kulicke W.-M., Clasen C. Viscosimetry of Polymers and Polyelectrolytes. — Berlin: Springer, 2004. — 214 p.
20. Smith P.B., Gross R.A. Biobased Monomers, Polymers, and Materials // ACS Symposium Series. — 2012. — Vol. 1105. — P. 283–301. DOI: 10.1021/bk-2012-1105.ch017
21. Zhang Y., Zhang C., Wang Y. Recent progress in cellulose-based electrospun nanofibers // Nanoscale Advances. — 2021. — Vol. 3, № 21. — P. 6040–6047. DOI: 10.1039/D1NA00479A
22. Deitzel J.M., Kleinmeyer J., Harris D. et al. The effect of processing variables on the morphology of electrospun nanofibers // Polymer. — 2001. — Vol. 42, № 1. — P. 261–272. DOI: 10.1016/S0032-3861(00)00250-0
23. Thompson C.J., Chase G.G., Yarin A.L. et al. Effects of parameters on nanofiber diameter determined from electrospinning model // Polymer. — 2007. — Vol. 48, № 23. — P. 6913–6922. DOI: 10.1016/j.polymer.2007.09.017
24. Teo W.E., Ramakrishna S. A review on electrospinning design and nanofibre assemblies // Nanotechnology. — 2006. — Vol. 17, № 14. — P. R89–R106. DOI: 10.1088/0957-4484/17/14/R01
25. Macosko C.W. Rheology: Principles, Measurements, and Applications. — New York: Wiley-VCH, 1994. — 550 p.
26. Reneker D.H., Yarin A.L. Electrospinning jets and polymer nanofibers // Polymer. — 2008. — Vol. 49, № 10. — P. 2387–2425. DOI: 10.1016/j.polymer.2008.02.002
27. Larson R.G. The Structure and Rheology of Complex Fluids. — Oxford: Oxford University Press, 1999. — 663 p.29.
28. Frey M.W. Electrospinning cellulose and cellulose derivatives // Polymer Reviews. — 2008. — Vol. 48, № 2. — P. 378–391. DOI: 10.1080/15583720802022208
29. Петров А.В. и др. Влияние молекулярной массы поли-N-винилпирролидона на получение ультратонких волокон методом электроформования из растворов // Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова. — 2011. — Т. 6, № 3. — С. 34–39.
Review
For citations:
, , , . Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies. 2025;87(2):141-148. (In Russ.) https://doi.org/10.20914/2310-1202-2025-2-
Views:
2
Email this article 
Post a Comment 
