Polimer elektrolit membran yakıt hücrelerinde (PEMFCs) kullanım amaçlı proton iletken polibenzimidazol (PBI)/polimer blend membranların üretilmesi

Abstract

ABPBI'ın (Poli(2,5-benzimidazol)) PVFA (Poli(vinilfosfonik asit)), PSSA (Poli(stiren sülfonik asit)) ve PAMPS (Poli(2-akrilamido-2-metil-1-propan sülfonik asit)) polimerlerinin her birisi ile tekrarlanan monomer birimlerine göre farklı stokiyometrik oranlarda karıştırılmasıyla polimer elektrolit blend membranlar (zar) sentezlenmiştir. Ayrıca, ABPBI içerisinde VFA'nın (vinil fosfonik asit) in situ polimerizasyonu sonucu in situ polimer membranlar sentezlenmiştir. Polimerler arası etkileşimler için FT-IR (Fourier transform infrared spektroskopi); yüzey morfolojileri ve homojenlik için SEM (taramalı elektron mikroskobu); ısısal özellikler için TGA (termogravimetrik analiz) ve DSC (kademeli taramalı kalorimetri) kullanılarak membranların karakterizasyonları yapılmıştır. Spektroskopi ölçümleri ve su emilim çalışmalarıyla, ABPBI'ın her bir polimer ile kompleksleşerek, aşırı miktardaki suda dopant kaybını engellediği gösterilmiştir. Nemli ve nemsiz membranların proton iletkenlikleri, empedans spektroskopi ile ölçülmüştür. Nemsiz membranlarının proton iletkenlikleri, ABPBI:PVFA (1:2) için 150 oC'de 1.82 x 10-6 S/cm; ABPBI:PVFA in situ polimer membran için 140 oC'de 0.002 S/cm; ABPBI:PSSA (1:4) için yüksek sıcaklıklarda 10-3 S/cm; ve ABPBI:PAMPS (1:2) için 150 oC'de düşük seviyede olduğu bulunmuştur. Artan BN'le (bağıl nem) birlikte proton iletkenliklerinde artış kaydedilmiştir. %50 nemlendirildikten sonra membranların proton iletkenlikleri, ABPBI:PVFA (1:4) için 20 oC'de 0.004 S/cm'ye ve ABPBI:PSSA (1:2) için oda sıcaklığında 0.02 S/cm'ye çıkmıştır. Ayrıca, ABPBI:PAMPS (1:2)'nin iletkenliği, nemlendirmeyle (BN= %50) 0.1 S/cm'ye ulaşarak 20 oC'deki Nafion 117'nin iletkenliğine çok yakın bir değer göstermiştir.

PEMs (Polymer electrolyte membrane) were fabricated by blending ABPBI (Poly(2,5-benzimidazole)) with each of PVFA (Poly(vinylphosphonic acid)), PSSA (Poly(styrene sulfonic acid)) and PAMPS (Poly(2-acrylamido-2-methyl- 1-propanesulfonic acid)) at several stoichiometric ratios with respect to monomer repeating units. Additionally, in situ polymer membranes were synthesized by in situ polymerization of vinyl phosphonic acid in ABPBI. The characterization of the membranes were carried out by using FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) for inter-polymer interactions; SEM (scanning electron microscope) for surface morphology and homogeneity; TGA (thermogravimetric analysis) and DSC (differential scanning calorimetry) for thermal properties. The spectroscopic measurements and water uptake studies suggested the complexation of ABPBI with PVFA, PSSA and PAMPS that inhibited dopant exclusion up on swelling in excess water. Proton conductivities of the humidified and anhydrous samples were measured using impedance spectroscopy. Proton conductivities of membranes were detected as 1.8x10-6 S/cm at 150 oC for ABPBI:PVFA with (1:2); 0.002 S/cm at 140 oC for ABPBI:PVFA in situ polymer membrane; 10-3 S/cm at high temperature for ABPBI:PSSA with (1:4); very low for ABPBI:PAMPS with (1:2). The proton conductivities increased with increasing relative humidity (RH). After humidification (50% RH), proton conductivity of the membranes detected such as 0.004 S/cm for ABPBI:PVFA (1:4), 0.02 S/cm for ABPBI:PSSA (1:2). Furthermore, proton conductivity of ABPBI:PAMPS (1:2) reached to 0.1 S/cm after humidification (50% RH) which is very close to the conductivity of Nafion 117 at 20 oC.