12426

12426

ارزيابي آزمايشگاهي خواص انتقالي غشاها براي پيل سوختي غشاي الكتروليت پليمري

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي گرايش فرآيندهاي جداسازي

آبان 1392

آبان 1392

دكتر سوسن روشن ضمير

چكيده خواص انتقالي تراوش هيدروژن و هدايت پروتون در غشاهاي تبادل پروتون تاثير قابل ملاحظه¬اي بر عملكرد پيل¬¬هاي سوختي الكتروليت پليمري (PEMFC) دارد. در اين پژوهش به دليل اهميت زياد خواص انتقالي غشاهاي تبادل پروتون، غشاي بهينه نانوكامپوزيتي پلي اتراتركتون سولفونه شامل نانوذرات كاتاليستي خود مرطوب شونده پلاتين بر پايه نمك سزيم هتروپلي اسيد تنگستوفسفريك اسيد ساخته شده و تراوش سوخت و هدايت يوني غشا در شرايط عملياتي مختلف مورد بررسي قرار گرفت. براي سنجش هدايت يوني از آزمون طيف¬سنجي امپدانس الكتروشيميايي (EIS) بصورت برون محلي با دو پروب استفاده شد و هدايت پروتوني غشا در شرايط دما و رطوبت هاي مختلف اندازه گيري شد. از اطلاعات تجربي حاصله، يك مدل رياضي براي محاسبه هدايت پروتوني به صورت تابعي از دما و رطوبت ارائه گرديد. تراوش هيدروژن به كمك آزمون ولتامتري خطي در داخل پيل سوختي واحد آزمايشگاهي (روش درون محلي) بصورت تابعي از دما، فشار جزئي هيدروژن و رطوبت نسبي ارزيابي شد. براي بررسي تاثير پارامترهاي مربوطه از طراحي آزمايش به روش رويه پاسخ (RSM) كمك گرفته شده است. يك مدل رياضي نيز از تابعيت تراوش گازي برحسب دما، فشار و رطوبت ارائه گرديد. افزايش هريك از پارامترها موجب افزايش تراوش گازي شد. آزمون ولتاژ مدار باز نيز جهت ارزيابي ميزان تراوش گازي انجام شد. شايان ذكر است كه تمامي آزمون¬ها علاوه بر غشاي نانوكامپوزيتي پلي اتراتركتون سولفونه بر روي غشاي تجاري نفيون نيز انجام شدند. در ميان متغيرهاي دما، فشار و رطوبت نسبي، دما (با ميزان تاثير72% براي غشاي sPEEK و 54% براي غشاي نفيون) تاثير گذارترين پارامتر بر ميزان تراوش گازي شناخته شد. در شرايط دماي بالا، تراوش گازي غشاي نانوكامپوزيتي sPEEK به ميزان قابل توجهي كمتر از غشاي نفيون مشاهده گرديد. مقادير انرژي فعال¬سازي براي هدايت پروتون و تراوش هيدروژن در هر دو غشا محاسبه شدند كه تاييدي بر مشاهدات تجربي بود. در نهايت عملكرد دو غشا بر اساس شاخص عملكرد انتقال (TPI) كه حاصل تقسيم تراوش¬پذيري هيدروژن بر هدايت پروتون است مورد مقايسه قرار گرفت. نتايج حاصل نشان داد كه در شرايط مشابه عملياتي، مقدار شاخص TPI در غشاي نانوكامپوزيتي sPEEK كمتر از مقدار آن در غشاي نفيون117 مي¬باشد. بنابراين غشاي نانوكامپوزيتي sPEEK در زمينه خواص انتقالي داراي عملكرد بهتري مي¬باشد. مقدار بالاتر ولتاژ مدار باز در مجموعه الكترود-غشاي حاوي اين غشا در دماي C ̊ 60 و رطوبت نسبي 100% نيز اين نتيجه را تاييد مي¬كند. واژه‌هاي كليدي: غشاي الكتروليت پليمري (PEM)، خواص انتقالي، هدايت پروتون، عبور عرضي هيدروژن، پلي اتراتركتون سولفونه.