Developing alternative polymeric membranes for fuel cells

Abstract

Yakıt pilleri, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren elektrokimyasal cihazlardır. Dizel veya benzinli motorlara göre daha yüksek verime sahip olduklarından dolayı ilgi çeken alternatif güç kaynaklarındandır, sessiz çalışabilirler ve fosil yakıtların yanması sonucu oluşan kirliliği azaltabilirler. Yakıt olarak hidrojen kullanan polimer elektrolit yakıt pillerinin ve yakıt olarak metanol kullanan doğrudan metanol yakıt pillerinin (DMFC'lerin) en önemli birleşenlerinden biri, polimer elektrolit membranlar (PEM'ler) dır. Polimer elektrolit membran, proton iletkenliği sağlar ve yakıt ile oksijen arasında oluşabilecek doğrudan teması engellemek amacıyla bariyer görevi görür. Yüksek proton iletkenliği, düşük su veya yakıt geçirgenliği, termal ve mekanik dayanıklılık ve de düşük maliyet, yakıt pilli membranları için arzu edilen özelliklerdir. Doğrudan metanol yakıtlı yakıt pillerinde, proton iletkenliği sağlayan membranların yakıt geçişini en aza indirgemek üzere düşük metanol geçirgenliği göstermeleri gerekir. Bu çalışmada, sulfone edilmiş poli(aril eter sulfon) ve çapraz bağlanmış türevleri polimer elektrolit membran olarak hazırlanmış ve doğrudan metanol yakıtlı yakıt pillerinde kullanılmak üzere karakterize edilmiştir. Kısmen sulfone edilmiş poli(aril eter sulfon) (PESS); hidrokinon 2- potasyum sulfonat, bisfenol A ve 4-Florofenil sulfon, monomerlerinin çözelti polikondenzasyonu ile hazırlanmıştır. Sentezlenen polimerler gisidil metakrilatla reaksiyona sokularak metakrile edilmiş (PESSGMA) ve sonrasında mekanik özelliklerini geliştirmek ve metanol geçirgenliğini azaltmak üzere homopolimerizasyon ile veya stiren (STY) ve vinil fosfonik asit (VPA) gibi komonomerlerle radikal ko-polimerizasyona sokularak çapraz bağlı türevleri hazırlanmıştır. Çapraz bağlanmış olan PESSGMA ve kopolimerleri, hem PESSGMA pre-polimer sentezi hem de kür döngülerindeki optimizasyon çalışmaları sonucunda çözelti dökme yöntemi ile hazırlanmıştır. PESS polimerinin çapraz bağlanması, membranların modül ve camsı geçiş sıcaklığını arttırırken; iyon değiştirme kapasitesini, proton iletkenliğini, suda şişme ve metanol geçirgenliğini belirgin bir şekilde düşürmüştür. Ancak, VPA ko-monomerinin PESSGMA ağına dahil edilmesi, proton iletkenliğini arttırırken, hem PESS hem de ticari Nafyon membranlarına kıyasla mühim oranda yüksek olan mükemmel metanol geçişi direncinin korunmasına neden olmuştur.

Fuel cells are electrochemical devices that convert chemical energy to electrical energy. They are attractive alternative power sources because they have a higher efficiency than diesel or gas engines, they can operate silently and they can eliminate pollution caused by burning fossil fuels. One of the most important components of polymer electrolyte fuel cells and of direct methanol fuel cells (DMFCs) that use hydrogen and methanol as a fuel respectively are the polymer electrolyte membranes (PEMs). The PEM provides proton conduction and functions as a barrier to avoid direct contact between fuel and oxygen. High proton conductivity, low water or fuel permeability, thermal and mechanical stability as well as a low cost are desirable properties for fuel cell membranes. For DMFCs, the proton-conducting membranes must also exhibit low methanol permeability to minimize fuel crossover. In this study, polymer electrolyte mebranes based on sulfonated poly(aryl ether sulfone)s and their cross-linked derivatives were prepared and characterized for DMFC applications. The partially sulfonated poly(aryl ether sulfone)s (PESS) were prepared via polycondensation of hydroquinone 2- potassium sulfonate, bisphenol A and 4- fluorophenyl sulfone. The resulting polymers were then methacrylated with glycidyl methacrylate (PESSGMA) and then cross-linked and copolymerized with comonomers, vinyl phosphonic acid (VPA) and styrene (STY) via radical polymerization to improve mechanical properties and decrease methanol permeability. Cross-linked membranes of PESSGMA and its copolymers were prepared via solution casting method through optimization steps both in the synthesis of the PESSGMA pre-polymer and curing cycles. The crosslinking of the PESS polymer significiantly reduced ion exchange capacity, proton conductivity, swelling in water and methanol permeability of the membranes while increasing the modulus and the glass transition temperature. However the introduction of the VPA co-monomer to the PESSGMA network increased the proton conductivity while maintaining excellent resistance to methanol cross-over which was significantly higher as compared to both PESS and the commercial Nafion membranes.