Research

 

Dependence of the mechanical and electrical properties on the acid content in PVA+H₃PO₂+H₂O membranes

 

M. E. Fernández^a,*, J.E. Castillo^a,b, F. Bedoya^a,c, J. E. Diosa^a, and R. A. Vargas^a

 

^a Grupo de Transiciones de Fase en Sistemas no Metálicos, Departamento de Física, Universidad del Valle, Calle 13 100-00, A.A. 25360, Cali, Colombia, e-mail: maria.fernandez.lopez@correounivalle.edu.co

^b School of Mechanical Engineering, Purdue University, 585 Purdue Mall West Lafayette, IN.47907-2088.

^c School of Nuclear Engineering, Purdue University, 400 Central Drive, West Lafayette, IN.47906.

 

Received 17 May 2013
accepted 25 March 2014

 

Abstract

In this paper we report elastic modulus and ionic conductivity measurements in proton-exchange membranes based on poly (vinyl alcohol) (PVA), as a function of the acid (H₃PO₂) concentration and temperature. Tensile stress-strain test (nominal stress) was performed at low rate deformation, with acid concentration between 0.0 to 3.0 given in P/OH ratios. Results show that the elastic modulus, the elastoplastic modulus and the yield stress decrease as acid concentration increases. Ionic conductivity was obtained using the impedance spectroscopy technique on samples with the same acid concentrations, which shows an improvement in ionic conductivity of PVA+H₃PO₂+H₂O within the range 10^-3 - 10^-1 S cm^-1 as the acid concentration increases. The results obtained by comparing mechanical and electric properties, show that they are both directly linked to the acid content and water activity, thus these properties can be engineered to meet the appropriate conditions for an efficient fuel cell operation.

Keywords: Elastic modulus; stress; impedance spectroscopy; dc conductivity; polymer electrolyte.

 

Resumen

En este trabajo reportamos medidas del módulo elástico y conductividad iónica en membranas intercambiadoras de protones basadas en alcohol polivinílico (PVA) y ácido hipofosforoso (H₃PO₂). Estas medidas se realizaron como función de la concentración de ácido y la temperatura. Las pruebas de esfuerzo de fluencia se realizaron para las relaciones P/OH: 0.0 a 3.0 a una baja velocidad de deformación. Los resultados muestran que el módulo elástico, el módulo elastoplástico y la tensión de fluencia decrecen al aumentar la concentración de ácido. Las medidas de conductividad iónica, se obtuvieron por espectroscopía de impedancia, para muestras con las mismas relaciones P/OH, las cuales muestran que la conductividad mejora en un rango entre 10^-3 - 10^-1 S cm^-1 con el incremento del ácido. Los resultados obtenidos al comparar las propiedades mecánicas y eléctricas muestran que ambas están directamente relacionados con el contenido de ácido y la actividad del agua, por lo tanto presentan propiedades adecuadas para operación en celdas de combustible.

Descriptores: Módulo elástico; esfuerzo; espectroscopía de impedancia; conductividad dc; electrolito polimérico.

 

PACS: 62.20.F; 62.40.+i; 82.47.Nj

 

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