SİLİKA DESTEKLİ, FOSFOLANMIŞ POLİ(VİNİL ALKOL) BAZLI MEMBRANLARIN SENTEZLENMESİ VE KARAKTERİZASYONU

Öz

Polimer elektrolit membranlı yakıt hücreleri (PEMYH), yüksek verimliliğe sahip, güvenilir ve çevre dostusistemler olmaları nedeniyle, son yıllarda araçlar ve diğer taşınabilir uygulamalar için en çok gelecek vaat edenalternatif enerji kaynağı adayıdır. PEMYH’ nin en önemli kısmı, anottan katota proton taşınımını sağlayan veyakıt ile oksitleyici gazların temasını engellemek için bariyer görevi yapan polimer elektrolit membranlardır.Nafion® gibi perflorosülfonik asit bazlı polimer membranlar, sahip oldukları kimyasal, mekanik özellikler veyüksek proton iletkenlikleri nedeniyle PEMYH’ inde elektrolit olarak sıklıkla kullanılmaktadırlar. Ancak Nafion®membranların yüksek sıcaklıklarda proton iletkenliklerinin düşmesi ve pahalı olmaları nedeniyle alternatifmembran malzemeleri geliştirmeye yönelik yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmanın amacı; polimerelektrolit membranlı yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere, Nafion® membranlara göre daha iyi özelliklere sahipve ucuz, polivinil alkol (PVA) bazlı kompozit polimerik membran geliştirilmesidir. Membranların fosfonasyonişlemleri Hipofosforöz asit (H3PO2) kullanılarak yapılmıştır. Daha sonra farklı oranlarda yapıya tetraetil ortosilikat(TEOS) eklenerek membranlar sentezlenmiştir. Bu şekilde hem fosfonasyon derecesinin hem de katkı maddesininmembran özelliklerine etkisi incelenmiştir. Sentezlenen membranlar, Fourier Dönüşüm Kızılötesi Spektroskopisi(FT-IR) , su tutma kapasiteleri, şişme özellikleri, iyon değişim kapasiteleri ve iletkenlik ölçümleri ile karakterizeedilmişlerdir. Membranların su tutma yüzdeleri katkı miktarlarına bağlı olarak şişme özelliği göstermeden %20-140, iyon değişim kapasiteleri 1,35 – 2,86 meq/g, proton iletkenlikleri ise oda sıcaklığında ve %100 nemlilikte0,56 – 3,43 mS/cm aralığında değişmiştir. Sonuç olarak, yakıt hücreleri için bu çalışmada geliştirilen membranlar,günümüzde en çok kullanılan ve pahalı olan perflorlu membranlara alternatif olması açısından ümit vermiştir.

Anahtar Kelimeler

• PEMYH, kompozit membran, PVA, membran sentezi.

Kaynakça

1. Smitha,B., Sridhar, s., Khan, A.A., “Solid
2. polymer electrolyte membranes for fuel cell
3. applications-a review” Journal of Membrane
4. Science, 259 : 10-26 (2005).
5. Ma, X., Zhang, C., Xiao, G., Yan, D., “Synthesis
6. and properties of sulfonated poly(arylene ether
7. phosphine oxide)s for proton exchange
8. membranes”, Journal of Power Sources, 188 :

9. –63 (2009).
10. Colicchio, I., Wen, F., Keul, H., Simon, U.,
11. Moeller, M., “Sulfonated poly(ether ether
12. ketone)–silica membranes doped with
13. phosphotungstic acid. Morphology and proton
14. conductivity”, Journal of Membrane Science,
15. : 45–57 (2009).
16. Chuang, S., Hsu, S.L., Liu, Y., “Synthesis and
17. properties of fluorine-containing
18. polibenzimidazole/silica nanocomposite
19. membranes for proton exchange membrane fuel
20. cells”, Journal of Membrane Science, 305 :
21. -363 (2007).
22. Şahin, A., Balbaşı, M., Ar, İ., “Borik asit ve
23. boron fosfat destekli, sülfolanmış
24. polistiren/polivinil alkol kompozit membran
25. sentezi ve karakterizasyonu”, Gazi Üniversitesi
26. Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 24:
27. -145 (2009).
28. Alberti, G., Casciola, M., Capitani, D., Donnadio,
29. A., Narducci, R., Pica, M., Sganappa, M., “
30. Novel Nafion- zirconium phosphate
31. nanocomposite membranes with enhanced
32. stability of proton conductivity at medium
33. temperature and high relative humidity”,
34. Electrochimica Acta, 52 : 8125-8132 (2007).
35. Mehta, V., Cooper, J. S., “Rewiev and analysis of
36. PEM fuel cell design and manufacturing”,
37. Journal of Power Sources, 114 : 32-53 (2002).
38. Wang, G., Weng, Y., Chu, D., Xie D., Chen, R.,
39. “Preparation of alkaline anion exchange
40. membranes based on functional poly(ether-imide)
41. polymers for potential fuel cell applications”,
42. Journal of Membrane Science, 326 : 4–8
43. (2009).
44. Anis, A., Banthia, A. K., Bandyopadhyay, S., “
45. Synthesis and characterization of polyvinyl
46. alcohol copolymer/phosphomolybdic acid-based
47. crosslinked composite polymer electrolyte
48. membranes”, Journal of Power Sources, 179 :
49. -80 (2007)
50. Higa, M., Sugita, M., Maesowa, S., Endo, N., “
51. Poly(vinyl alcohol)-based polymer electrolyte
52. membranes for direct methanol fuel cell”,
53. Electrochimica Acta (2009)
54. Kumar, G. G., Uthirakumar, P., Nahm, K. S.,
55. Elizabeth, R. N., “Fabrication and electro
56. chemical properties of poly vinyl alcohol/para
57. toluene sulfonic acid membranes for the
58. application of DMFC”, Solid State Ionics, 180 :
59. -287 (2009).
60. Kim, S. K., Park, H.B., Rhim, J.W. And Lee,
61. Y.M., “Preparation and characterization of
62. crosslinked PVA/SiO2 hybrid membranes
63. containing sulfonic acid groups for direct
64. methanol fuel cell applications”, Journal of
65. Membrane Science, 240: 37-48 (2004).
66. Hirankumar, G., Selvasekarapandian, S.i Kuwata,
67. N., Kawamura, J., Hattori, T., “Thermal;
68. electrical and optical studies on the poly(vinyl
69. alcohol) based polimer electrolytes”, Journal of
70. Power Sources, 144:262-267(2005).
71. Li, L., Wang, Q., Wang, R., “Enchancing
72. mechanical properties of poly(vinyl alcohol)
73. blown films by drawing and surface crosslinking,
74. Journal of Applied Polymer Science”, 98: 774-
75. (2005).
76. Kim, D. S., Guiver, M. D., Nam, S. Y., Yun, T.
77. I., Seo, M. Y., Kim, S, J., Hwang, H. S., Rhim, J.
78. W., “Prepertion of ion exchange membranes for
79. fuel cell based on crosslinked poly(vinyl
80. alcohol)with poly(styrene sulfonic acid-co-maleik
81. acid), Journal of Membrane Science, 281:156-
82. (2006).
83. Deluca, N.W. And Elabd, Y.A.,
84. “Nafion/poly(vinyl alcohol) blends: Effect of
85. composition and annealing temperature on
86. transport properties”, Journal of Membrane
87. Science, 282 : 217-224 (2006).
88. Gohil, J.M., Ray, B., Ray, P., “Studies on the
89. cross-linking of poly(vinyl alcohol)”, Journal of
90. Polymer Research, 13 : 161-169 (2006).
91. Son, J.H., Kang, Y.S. And Won, J., “Poly(vinyl
92. alcohol) -based polymer electrolyte membranes
93. containing polyrotaxane”, Journal of Membrane
94. Science, 281 (1-2): 345-350 (2006).
95. Lin, C.W., Huang, Y.F. And Kanan, A.M.,
96. “Semi-interpenetrating network based on crosslinked
97. poly(vinyl alcohol) and poly(styrene
98. sulfonic acid-co-maleic anhydride) as proton
99. exchange fuel cell membranes”, Journal of
100. Power Sources, 164 (2): 449-456 (2007).
101. Yang, C. C., “Synthesis and characterization of
102. cross-linked PVA/TiO2 composite polymer
103. membrane for alkaline DMFC”, Journal of
104. Membrane Science, 2888: 51-60 (2007)
105. T. Yang, “Composite membrane of sulfonated
106. poly(ether ether ketone) and sulfated poly (vinyl
107. alcohol) for use in direct methanol fuel cells,
108. Journal of Membrane Science, (2008).
109. Zhang, Y., Cui, Z., Liu, C., Xing, W., Zhang, J.,
110. “Implantation of Nafion® ionomer into polyvinyl
111. alcohol/chitosan composites to form novel
112. protonconducting membranes for direct methanol
113. fuel cells”, Journal of Power Sources, (2008).
114. Yang, C. C., Lee, Y. J., Yang, J. M., “Direct
115. methanol fuel cell (DMFC) based on PVA/MMT
116. composite polymer membranes”, Journal of
117. Power Sources, 188 : 30–37 (2009).
118. Huang, Y.F., Chuang, L.C., Kannan, A.M., Lin,
119. C.W., “Proton-conducting membranes with high
120. selectivity from cross-linked poly(vinyl alcohol)
121. and poly(vinyl pyrrolidone) for direct methanol
122. fuel cell applications”, Journal of Power
123. Sources, 186 : 22–28 (2009).
124. Kim, D. S., Park, I. C., Cho, H. I., Kim, D. H.,
125. Moon, G. Y., Lee, H. K., Rhim, J. W., “Effect of
126. organo clay content on proton conductivity and
127. methanol transport through crosslinked PVA
128. hybrid membrane for direct methanol fuel cell”,
129. Journal of Industrial and Engineering
130. Chemistry, 15 : 265 (2009).
131. Bhat, S.D., Sahu, A.K., George, C., Pitchumani,
132. S., Sridhar, P., Chandrakumar, N., Singh, K.K.,
133. Krishna, N., Shukla, A. K., “Mordeniteincorporated
134. PVA–PSSA membranes as
135. electrolytes for DMFCs”, Journal of Membrane
136. Science, 340 : 73–83 (2009).
137. Kim, D. S., Cho, H. I., Kim, D. H., Lee, B.
138. S.,Lee, B. S., Yoon, S., Kim, Y. S., Moon, G. Y.,
139. Byun, H., Rhim, J., “Surface fluorinated
140. poly(vinyl alcohol)/ poly(styrene sulfonic acidco-
141. maleic acid) membrane for polymer
142. electrolyte membrane fuel cells”, Journal of
143. Membrane Science, (2009).
144. Krishnan, P., Park, J. S. And Kim, C.S.,
145. “Preparation of proton-conducting sulfonated
146. poly(ether ether ketone)/boron phosphate
147. composite membranes by an in situ sol–gel
148. process” , Journal of Membrane Science, 279
149. (1-2): 220-229 (2006).
150. Lavorgna, M., Mascia, L., Mensitieri, G., Gilbert,
151. M., Scherillo, G. And Palomba, B.,
152. “Hybridization of nafion membranes by the
153. infusion of functionalized siloxane precursors”,
154. Journal of Membrane Science, 294 (1-2): 159-
155. (2007).
156. Kim, Y.T., Kim, K.H., Song, M.K. And
157. Rhee, H.W., “Nafion/ZrSPP composite
158. membrane for high temperature operation of
159. proton exchange membrane fuel cells”, Current
160. Applied Physics, 6 (4): 612-615 (2006).