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

Yıl 2010, Cilt: 25 Sayı: 4, 0 - , 19.02.2013

Alpay Şahin Handan Aktan İrfan Ar Muzaffer Balbaşı

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

• Smitha,B., Sridhar, s., Khan, A.A., “Solid
• polymer electrolyte membranes for fuel cell
• applications-a review” Journal of Membrane
• Science, 259 : 10-26 (2005).
• Ma, X., Zhang, C., Xiao, G., Yan, D., “Synthesis
• and properties of sulfonated poly(arylene ether
• phosphine oxide)s for proton exchange
• membranes”, Journal of Power Sources, 188 :
• –63 (2009).
• Colicchio, I., Wen, F., Keul, H., Simon, U.,
• Moeller, M., “Sulfonated poly(ether ether
• ketone)–silica membranes doped with
• phosphotungstic acid. Morphology and proton
• conductivity”, Journal of Membrane Science,
• : 45–57 (2009).
• Chuang, S., Hsu, S.L., Liu, Y., “Synthesis and
• properties of fluorine-containing
• polibenzimidazole/silica nanocomposite
• membranes for proton exchange membrane fuel
• cells”, Journal of Membrane Science, 305 :
• -363 (2007).
• Şahin, A., Balbaşı, M., Ar, İ., “Borik asit ve
• boron fosfat destekli, sülfolanmış
• polistiren/polivinil alkol kompozit membran
• sentezi ve karakterizasyonu”, Gazi Üniversitesi
• Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 24:
• -145 (2009).
• Alberti, G., Casciola, M., Capitani, D., Donnadio,
• A., Narducci, R., Pica, M., Sganappa, M., “
• Novel Nafion- zirconium phosphate
• nanocomposite membranes with enhanced
• stability of proton conductivity at medium
• temperature and high relative humidity”,
• Electrochimica Acta, 52 : 8125-8132 (2007).
• Mehta, V., Cooper, J. S., “Rewiev and analysis of
• PEM fuel cell design and manufacturing”,
• Journal of Power Sources, 114 : 32-53 (2002).
• Wang, G., Weng, Y., Chu, D., Xie D., Chen, R.,
• “Preparation of alkaline anion exchange
• membranes based on functional poly(ether-imide)
• polymers for potential fuel cell applications”,
• Journal of Membrane Science, 326 : 4–8
• (2009).
• Anis, A., Banthia, A. K., Bandyopadhyay, S., “
• Synthesis and characterization of polyvinyl
• alcohol copolymer/phosphomolybdic acid-based
• crosslinked composite polymer electrolyte
• membranes”, Journal of Power Sources, 179 :
• -80 (2007)
• Higa, M., Sugita, M., Maesowa, S., Endo, N., “
• Poly(vinyl alcohol)-based polymer electrolyte
• membranes for direct methanol fuel cell”,
• Electrochimica Acta (2009)
• Kumar, G. G., Uthirakumar, P., Nahm, K. S.,
• Elizabeth, R. N., “Fabrication and electro
• chemical properties of poly vinyl alcohol/para
• toluene sulfonic acid membranes for the
• application of DMFC”, Solid State Ionics, 180 :
• -287 (2009).
• Kim, S. K., Park, H.B., Rhim, J.W. And Lee,
• Y.M., “Preparation and characterization of
• crosslinked PVA/SiO2 hybrid membranes
• containing sulfonic acid groups for direct
• methanol fuel cell applications”, Journal of
• Membrane Science, 240: 37-48 (2004).
• Hirankumar, G., Selvasekarapandian, S.i Kuwata,
• N., Kawamura, J., Hattori, T., “Thermal;
• electrical and optical studies on the poly(vinyl
• alcohol) based polimer electrolytes”, Journal of
• Power Sources, 144:262-267(2005).
• Li, L., Wang, Q., Wang, R., “Enchancing
• mechanical properties of poly(vinyl alcohol)
• blown films by drawing and surface crosslinking,
• Journal of Applied Polymer Science”, 98: 774-
• (2005).
• Kim, D. S., Guiver, M. D., Nam, S. Y., Yun, T.
• I., Seo, M. Y., Kim, S, J., Hwang, H. S., Rhim, J.
• W., “Prepertion of ion exchange membranes for
• fuel cell based on crosslinked poly(vinyl
• alcohol)with poly(styrene sulfonic acid-co-maleik
• acid), Journal of Membrane Science, 281:156-
• (2006).
• Deluca, N.W. And Elabd, Y.A.,
• “Nafion/poly(vinyl alcohol) blends: Effect of
• composition and annealing temperature on
• transport properties”, Journal of Membrane
• Science, 282 : 217-224 (2006).
• Gohil, J.M., Ray, B., Ray, P., “Studies on the
• cross-linking of poly(vinyl alcohol)”, Journal of
• Polymer Research, 13 : 161-169 (2006).
• Son, J.H., Kang, Y.S. And Won, J., “Poly(vinyl
• alcohol) -based polymer electrolyte membranes
• containing polyrotaxane”, Journal of Membrane
• Science, 281 (1-2): 345-350 (2006).
• Lin, C.W., Huang, Y.F. And Kanan, A.M.,
• “Semi-interpenetrating network based on crosslinked
• poly(vinyl alcohol) and poly(styrene
• sulfonic acid-co-maleic anhydride) as proton
• exchange fuel cell membranes”, Journal of
• Power Sources, 164 (2): 449-456 (2007).
• Yang, C. C., “Synthesis and characterization of
• cross-linked PVA/TiO2 composite polymer
• membrane for alkaline DMFC”, Journal of
• Membrane Science, 2888: 51-60 (2007)
• T. Yang, “Composite membrane of sulfonated
• poly(ether ether ketone) and sulfated poly (vinyl
• alcohol) for use in direct methanol fuel cells,
• Journal of Membrane Science, (2008).
• Zhang, Y., Cui, Z., Liu, C., Xing, W., Zhang, J.,
• “Implantation of Nafion® ionomer into polyvinyl
• alcohol/chitosan composites to form novel
• protonconducting membranes for direct methanol
• fuel cells”, Journal of Power Sources, (2008).
• Yang, C. C., Lee, Y. J., Yang, J. M., “Direct
• methanol fuel cell (DMFC) based on PVA/MMT
• composite polymer membranes”, Journal of
• Power Sources, 188 : 30–37 (2009).
• Huang, Y.F., Chuang, L.C., Kannan, A.M., Lin,
• C.W., “Proton-conducting membranes with high
• selectivity from cross-linked poly(vinyl alcohol)
• and poly(vinyl pyrrolidone) for direct methanol
• fuel cell applications”, Journal of Power
• Sources, 186 : 22–28 (2009).
• Kim, D. S., Park, I. C., Cho, H. I., Kim, D. H.,
• Moon, G. Y., Lee, H. K., Rhim, J. W., “Effect of
• organo clay content on proton conductivity and
• methanol transport through crosslinked PVA
• hybrid membrane for direct methanol fuel cell”,
• Journal of Industrial and Engineering
• Chemistry, 15 : 265 (2009).
• Bhat, S.D., Sahu, A.K., George, C., Pitchumani,
• S., Sridhar, P., Chandrakumar, N., Singh, K.K.,
• Krishna, N., Shukla, A. K., “Mordeniteincorporated
• PVA–PSSA membranes as
• electrolytes for DMFCs”, Journal of Membrane
• Science, 340 : 73–83 (2009).
• Kim, D. S., Cho, H. I., Kim, D. H., Lee, B.
• S.,Lee, B. S., Yoon, S., Kim, Y. S., Moon, G. Y.,
• Byun, H., Rhim, J., “Surface fluorinated
• poly(vinyl alcohol)/ poly(styrene sulfonic acidco-
• maleic acid) membrane for polymer
• electrolyte membrane fuel cells”, Journal of
• Membrane Science, (2009).
• Krishnan, P., Park, J. S. And Kim, C.S.,
• “Preparation of proton-conducting sulfonated
• poly(ether ether ketone)/boron phosphate
• composite membranes by an in situ sol–gel
• process” , Journal of Membrane Science, 279
• (1-2): 220-229 (2006).
• Lavorgna, M., Mascia, L., Mensitieri, G., Gilbert,
• M., Scherillo, G. And Palomba, B.,
• “Hybridization of nafion membranes by the
• infusion of functionalized siloxane precursors”,
• Journal of Membrane Science, 294 (1-2): 159-
• (2007).
• Kim, Y.T., Kim, K.H., Song, M.K. And
• Rhee, H.W., “Nafion/ZrSPP composite
• membrane for high temperature operation of
• proton exchange membrane fuel cells”, Current
• Applied Physics, 6 (4): 612-615 (2006).