14281

14281

سنتز و اصلاح غشاهاي تبادل پروتون با نانو اكسيدهاي فلزي براي پيلهاي سوختي پليمري دما بالا

كارشناسي ارشد

طراحي فرايندهاي جداسازي

دي ماه 1393

دي ماه 1393

دكترسوسن روشن ضمير

مهندسي شيمي

چكيده پيل هاي سوختي غشاي تبادل پروتون (PEMFC) در مقايسه با ساير پيل هاي سوختي داراي بالاتري دانسيته توان بوده و عموما در محدوده دمايي ℃ 60-80 كار مي كنند. افزايش دماي كاركرد پيل داراي مزايايي از قبيل افزايش حد مجاز مونوكسيد كربن موجود در سوخت، تسريع واكنش هاي الكترودي و تسهيل مديريت انتقال حرارت مي باشد. تاكنون، غشاي فلوئورينه تجاري نفيون به ميزان گسترده اي در PEMFC ها مورد استفاده قرار گرفته است. اما غشاي نفيون گران قيمت بوده و در دماهاي بالاتر از 100℃ از نظر مكانيكي ناپايدار مي باشد. امروزه استفاده از غشاهاي پلي اتر اتر كتون سولفونه ﴿sPEEK﴾، به عنوان جايگزين نفيون مورد توجه قرار گرفته است. پليمر پلي اتر اتر كتون، به منظور داشتن خاصيت تبادل پروتون با استفاده از فرايند سولفوناسيون، عامل دار شده و sPEEK حاصل مي شود. خواص غشاهاي sPEEK به ميزان زيادي به درجه سولفوناسيون آن ها ﴿كه متاثر از مدت زمان سولفوناسيون است﴾ ارتباط دارد. با افزايش زمان سولفوناسيون، پايداري غشاهاي sPEEK به طور قابل توجهي كاهش مي يابد. درمقابل، غشاهاي sPEEK با درجات پايين سولفوناسيون، پايداري شيميايي و حرارتي خوبي دارند اما هدايت پروتوني پاييني دارند. لذا، توسعه غشاهاي sPEEK با هدايت پروتوني بالا و پايداري شيميايي مناسب در دماهاي بالا ضرورت دارد. افزودن پركننده هاي غيرآلي به غشاهاي پليمري مي تواند تا حدودي مشكلات فوق را مرتفع نمايد. بنابراين، در اين تحقيق نانوذرات زيركونياي سولفاته به دليل خاصيت اسيدي بالا و كاهش اثرات تخريبي راديكال ها، به عنوان افزودني sPEEK مورد استفاده قرار گرفتند. نانوذرات زيركونياي سولفاته با استفاده از روش ترسيب از پيش ماده نمك تتراكلريد زيركونيوم سنتز شدند. زمان سولفوناسيون و درصد بارگذاري نانوذرات به عنوان فاكتورهاي اساسي در خواص نهايي غشاهاي نانوكامپوزيتي در نظر گرفته شده و مطابق طراحي آزمايش به روش سطح پاسخ ﴿RSM﴾، تعداد 13 غشاي نانوكامپوزيتي با روش قالب ريزي سنتز شدند. نانوذرات زيركونياي سولفاته سنتز شده و هم چنين غشاهاي نانوكامپوزيتي توسط آزمون هاي مختلفي نظير XRD5 ، TEM ، R8NM-H ، EIS1، آزمون برون محلي فنتون، ميزان جذب آب، ميزان ظرفيت تبادل يوني ، پايداري ابعادي و استحكام مكانيكي مورد مطالعه قرار گرفتند. نتايج آزمون هاي XRD و TEM بيانگر آن است كه نانوذرات زيركونياي سولفاته سنتز شده داراي توزيع اندازه يكنواخت در محدوده nm 10 15 هستند. بهينه سازي توسط RSM، غشاي نانوكامپوزيتي با زمان سولفوناسيون 9/6 ساعت و بارگذاري 94/5 % نانوذرات را به عنوان غشاي مطلوب مشخص كرد. پايداري شيميايي غشاي نانوكامپوزيتي بهينه در حدود min 102 و هدايت پروتوني آن در ℃ 100 و رطوبت نسبي 100 % در حدود ms/cm 4 مي باشد . ارزيابي مكانيكي غشاي نانوكامپوزيتي بهينه نيز، حاكي از افزايش 18 درصدي استحكام مكانيكي نسبت به غشاي پلي اتر اتر كتون سولفونه خالص است. واژه هاي كليدي : پيل سوختي غشاي تبادل پروتون (PEMFC) ، غشاي پلي اتر اتر كتون سولفونه، نانوذرات زيركونياي سولفاته، پايداري شيميايي، هدايت پروتوني.