18935

۱۸۹۳۵

بررسي تخريب مكانيكي غشاي تبادل پروتون پلي اتر اتر كتون سولفونه در چرخه هاي رطوبتي و دمايي

كارشناسي ارشد

فرآيندهاي جداسازي

۱۳۹۶/۱۱/۲۳

دكتر سوسن روشن ضمير

مهندسي شيمي، نفت و گاز

فناوري پيل سوختي الكتروليت پليمري جهت تجاري‌سازي نياز به عملكرد و دوام مناسب و درعين‌حال توجيه اقتصادي دارد. حال‌آنكه غشاهاي تبادل پروتون هيدروكربني علي‌رغم پتانسيل بالا جهت جايگزيني غشاهاي پرفلوئورينه به دليل قيمت ارزان و عملكرد مناسب، در چرخه‌هاي رطوبتي-دمايي طول عمر نسبتاً كوتاهي دارند. در اين مطالعه، از يك روش برون محلي جهت بررسي تخريب مكانيكي غشاي تبادل پروتون پلي اتر اتر كتون با درجه سولفوناسيون %75/64 در چرخه‌هاي رطوبتي-دمايي براي مدت 700 دقيقه، استفاده شد. اندازه‌گيري‌هاي برون محلي شامل پايداري ابعادي، آزمون استحكام مكانيكي و اندازه‌گيري نرخ ميان عبور گاز هيدروژن، همچنين آزمون‌هاي توصيفي پراش اشعه ايكس، تصويربرداري ميكروسكوپ الكتروني گسيل ميداني و ميكروسكوپ نيروي اتمي جهت بررسي اثر تنش‌هاي ناشي از تورم غشا بر روي مورفولوژي غشا، در فواصل معين بكار گرفته شد. نتايج حاكي از آرايش مجدد ساختار پليمري غشا با هدف كاهش بي‌نظمي زنجيره‌ها به دليل خزش و حضور در دماهاي بالا است و به همين علت در آزمون مكانيكي درحالي‌كه كرنش در گسيختگي نمونه‌ها %3/87 كاهش مي‌يابد، نمونه‌ها بسيار شكننده‌تر رفتار مي‌كنند. علاوه بر اين، حوضچه‌هاي بن‌بست آب به وجود آمده در هنگام ساخت غشا، به‌هم‌پيوسته و با تشكيل كانال‌هاي آب، ميزان جذب آب افزايش پيدا مي‌كند. همچنين، ميزان نشتي گاز هيدروژن به سه دليل افزايش مي‌يابد : 1) نازك شدن نامتقارن غشا، 2) نقص‌هاي ريز- ساختاري در ضخامت و 3) تغييرات بنيادي مورفولوژي غشا به دليل پراكندگي كمتر نواحي آب‌گريز. در اين پژوهش نشان داده شد كه تخريب مكانيكي غشاي تبادل پروتون پلي اتر اتر كتون سولفونه در يك چرخه معيوب قرار دارد و تسريع شونده مي‌باشد لذا، بررسي طول عمر آن در چرخه‌هاي رطوبتي-دمايي با يك تنش (و/يا) دامنه تنش ثابت عملاً صحيح نيست.

1397/02/15

3/21/2021 12:00:00 AM

Fully commercialization of polymer electrolyte fuel cell (PEFC) technology demands good performance and durability as well as reasonable price. However, hydrocarbon-based proton exchange membranes (PEMs), despite the fact they are potential alternatives to commonly used perfluorosulfonic acid membranes, experience premature failure in relative humidity cycles. In this study, an ex-situ method is used to investigate the progressive degradation of sulfonated poly ether ether ketone with degree of sulfonation of 64.75% in hygrothermal cycles for 700 minutes. Ex-situ examinations such as dimensional stability, mechanical properties and hydrogen leakage through specimens as well as morphological characterization included FE-SEM, AFM and XRD are employed for understanding of swelling-induced stress effects on SPEEK morphology. Results suggest that SPEEK due to simultaneous creep and exposure to elevated temperatures, encounters microstructural rearrangement in order to reduce the polymeric chains disorderliness and acts more brittle in the tensile test while elongation at break reduces by 87.3%. In addition, preexistent dead-end hydrophilic domains join each other to form more hydrophilic morphology within PEM and as a result water uptake increases. Furthermore, hydrogen cross-over rate increases due to (1) asymmetrical thinning, (2) micro-flaws formation in the thickness direction and (3) morphology evolution. We have demonstrated that mechanical degradation of SPEEK membrane is in a vicious circle, in other words, it is accelerating and consequently, lifetime estimation by using constant stress (and/or) stress amplitude is inaccurate.