Electrospun polymer electrolyte membranes for fuel cell applications

Abstract

Low temperature fuel cells have attracted a lot of attention for use as small portable power sources. The performance of the fuel cells is largely dependent on the cathode, anode and the Polymer Electrolyte Membrane (PEM). For the PEM in particular, many important characteristics are determined by the membrane morphology which is dependent on the fabrication method. Extrusion and casting are two of the most popular ones. Meanwhile, electrospinning is becoming a very popular fabrication method because it can create a wovenlike membrane composed of many nano-sized fibers with very interesting morphological properties such as high surface area to volume ratio, pinhole resistance and low fuel crossover. A Nafion-Poly (Acrylic Acid) (PAA) blend was electrospun to create polymer electrolyte membranes for fuel cell applications. The membranes were pressed, heat treated, cleaned and activated. Optical and scanning electron microscopy was performed on the membranes to characterize the surface morphology, fiber orientation and fiber diameter. Different parameters were tested as a function of the compacting pressure and the annealing temperature. Water uptake and ion exchange capacity were used to characterize the water content of the membranes. The solubility and mechanical properties of the membranes were also determined. The electrospun membranes were compared to commercially available membranes. The electrospun membranes were found to have higher water content with an increase of 1,017% when compared with the commercial membranes when the water uptake and the ion exchange capacity were evaluated. The water uptake, ion exchange capacity and water content were found to be dependent on the Nafion-PAA concentration and the processing order but not on the annealing temperature and compressing pressure. The electrospun membrane’s solubility was found to be dependent on the annealing temperature and the mechanical strength was found to be a function of the Nafion-PAA concentrations. The fiber diameter distribution was found to change as function of Nafion content with higher content resulting in smaller diameters and the fiber orientation was only dependant on the oscillating drum collector used in the electrospinning process.

Las pilas de combustión de baja temperatura han atraído mucha atención para usarse como pequeñas fuentes de energía portátiles. El rendimiento de las pilas de combustión depende en gran medida de la Membrana de Polímero Electrolítica (PEM). Muchas características importantes del PEM son determinados por la morfología de la membrana. La morfología de la membrana está determinada en gran medida por el método de fabricación como extrusión o fundición. Electrotejido es un proceso de manufactura que puede crear una membrana hecha de un tejido compuesto por nano-fibras con propiedades morfológicas muy interesantes. Estas características son: una alta razón de área de superficie en relación al volumen, resistencia a agujeros de alfiler y resistencia a la filtración de combustible. Una mezcla de Nafion y Acido (Poli Acrílico) (PAA) se unieron para crear una solución de alta viscosidad cuyo uso sea adecuado para el proceso de electrotejido. A través del electrotejido se crea una membrana que será adherida dentro de una pila de combustión. Posterior al electrotejido las membranas son sometidas a un proceso de compactación bajo presión, además se le realizan tratamientos térmicos, de limpieza y activación. La microscopia óptica y electrónica de barrido fue utilizada para caracterizar la morfología superficial, la distribución de diámetro de las fibras y su orientación. Diferentes parámetros en función de la temperatura del tratamiento térmico y de la presión de compactación fueron probados para identificar sus efectos en la membrana. La absorción de agua y capacidad de intercambio iónico fueron utilizados para analizar el contenido acuosos de las membranas. Adicionalmente se caracterizo la solubilidad y la fuerza de tensión máxima de las mismas. Las membranas producidas por electrotejido obtuvieron mayor contenido acuoso con un aumento máximo de 1,017% comparadas con las membranas comerciales al analizar la absorción de agua y el intercambio iónico. Se encontró que la absorción de agua, el intercambio iónico y el contenido acuoso dependen de la concentración de Nafion-PAA y del orden de procesamiento pero no de la temperatura de tratamiento térmico ni de la presión de compresión. Se hallo que la solubilidad tan solo es afectada por la concentración de Nafion-PAA y por la temperatura del tratamiento térmico. La distribución del diámetro varió en función del contenido de Nafion y la orientación de la fibra tan solo dependió del colector oscilatorio.