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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 membraneās 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 combustiĆ³n de baja temperatura han atraĆdo mucha atenciĆ³n para usarse como pequeƱas fuentes de energĆa portĆ”tiles. El rendimiento de las pilas de combustiĆ³n depende en gran medida de la Membrana de PolĆmero ElectrolĆtica (PEM). Muchas caracterĆsticas importantes del PEM son determinados por la morfologĆa de la membrana. La morfologĆa de la membrana estĆ” determinada en gran medida por el mĆ©todo de fabricaciĆ³n como extrusiĆ³n o fundiciĆ³n. Electrotejido es un proceso de manufactura que puede crear una membrana hecha de un tejido compuesto por nano-fibras con propiedades morfolĆ³gicas muy interesantes. Estas caracterĆsticas son: una alta razĆ³n de Ć”rea de superficie en relaciĆ³n al volumen, resistencia a agujeros de alfiler y resistencia a la filtraciĆ³n de combustible. Una mezcla de Nafion y Acido (Poli AcrĆlico) (PAA) se unieron para crear una soluciĆ³n de alta viscosidad cuyo uso sea adecuado para el proceso de electrotejido. A travĆ©s del electrotejido se crea una membrana que serĆ” adherida dentro de una pila de combustiĆ³n. Posterior al electrotejido las membranas son sometidas a un proceso de compactaciĆ³n bajo presiĆ³n, ademĆ”s se le realizan tratamientos tĆ©rmicos, de limpieza y activaciĆ³n. La microscopia Ć³ptica y electrĆ³nica de barrido fue utilizada para caracterizar la morfologĆa superficial, la distribuciĆ³n de diĆ”metro de las fibras y su orientaciĆ³n. Diferentes parĆ”metros en funciĆ³n de la temperatura del tratamiento tĆ©rmico y de la presiĆ³n de compactaciĆ³n fueron probados para identificar sus efectos en la membrana. La absorciĆ³n de agua y capacidad de intercambio iĆ³nico fueron utilizados para analizar el contenido acuosos de las membranas. Adicionalmente se caracterizo la solubilidad y la fuerza de tensiĆ³n mĆ”xima de las mismas. Las membranas producidas por electrotejido obtuvieron mayor contenido acuoso con un aumento mĆ”ximo de 1,017% comparadas con las membranas comerciales al analizar la absorciĆ³n de agua y el intercambio iĆ³nico. Se encontrĆ³ que la absorciĆ³n de agua, el intercambio iĆ³nico y el contenido acuoso dependen de la concentraciĆ³n de Nafion-PAA y del orden de procesamiento pero no de la temperatura de tratamiento tĆ©rmico ni de la presiĆ³n de compresiĆ³n. Se hallo que la solubilidad tan solo es afectada por la concentraciĆ³n de Nafion-PAA y por la temperatura del tratamiento tĆ©rmico. La distribuciĆ³n del diĆ”metro variĆ³ en funciĆ³n del contenido de Nafion y la orientaciĆ³n de la fibra tan solo dependiĆ³ del colector oscilatorio.
Las pilas de combustiĆ³n de baja temperatura han atraĆdo mucha atenciĆ³n para usarse como pequeƱas fuentes de energĆa portĆ”tiles. El rendimiento de las pilas de combustiĆ³n depende en gran medida de la Membrana de PolĆmero ElectrolĆtica (PEM). Muchas caracterĆsticas importantes del PEM son determinados por la morfologĆa de la membrana. La morfologĆa de la membrana estĆ” determinada en gran medida por el mĆ©todo de fabricaciĆ³n como extrusiĆ³n o fundiciĆ³n. Electrotejido es un proceso de manufactura que puede crear una membrana hecha de un tejido compuesto por nano-fibras con propiedades morfolĆ³gicas muy interesantes. Estas caracterĆsticas son: una alta razĆ³n de Ć”rea de superficie en relaciĆ³n al volumen, resistencia a agujeros de alfiler y resistencia a la filtraciĆ³n de combustible. Una mezcla de Nafion y Acido (Poli AcrĆlico) (PAA) se unieron para crear una soluciĆ³n de alta viscosidad cuyo uso sea adecuado para el proceso de electrotejido. A travĆ©s del electrotejido se crea una membrana que serĆ” adherida dentro de una pila de combustiĆ³n. Posterior al electrotejido las membranas son sometidas a un proceso de compactaciĆ³n bajo presiĆ³n, ademĆ”s se le realizan tratamientos tĆ©rmicos, de limpieza y activaciĆ³n. La microscopia Ć³ptica y electrĆ³nica de barrido fue utilizada para caracterizar la morfologĆa superficial, la distribuciĆ³n de diĆ”metro de las fibras y su orientaciĆ³n. Diferentes parĆ”metros en funciĆ³n de la temperatura del tratamiento tĆ©rmico y de la presiĆ³n de compactaciĆ³n fueron probados para identificar sus efectos en la membrana. La absorciĆ³n de agua y capacidad de intercambio iĆ³nico fueron utilizados para analizar el contenido acuosos de las membranas. Adicionalmente se caracterizo la solubilidad y la fuerza de tensiĆ³n mĆ”xima de las mismas. Las membranas producidas por electrotejido obtuvieron mayor contenido acuoso con un aumento mĆ”ximo de 1,017% comparadas con las membranas comerciales al analizar la absorciĆ³n de agua y el intercambio iĆ³nico. Se encontrĆ³ que la absorciĆ³n de agua, el intercambio iĆ³nico y el contenido acuoso dependen de la concentraciĆ³n de Nafion-PAA y del orden de procesamiento pero no de la temperatura de tratamiento tĆ©rmico ni de la presiĆ³n de compresiĆ³n. Se hallo que la solubilidad tan solo es afectada por la concentraciĆ³n de Nafion-PAA y por la temperatura del tratamiento tĆ©rmico. La distribuciĆ³n del diĆ”metro variĆ³ en funciĆ³n del contenido de Nafion y la orientaciĆ³n de la fibra tan solo dependiĆ³ del colector oscilatorio.
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Date
2012
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polymer electrolyte membrane