16580

16580

تهيه و ارزيابي غشاي تبادل آنيون بر پايه پلي سولفون جهت كاربري در پيل سوختي قليايي جامد

دكتري

مهندسي شيمي - جداسازي

بهمن 1395

دكتر سوسن روشن ضمير

مهندسي شيمي، نفت و گاز

در سال هاي اخير پيل سوختي قليايي جامد يا پيل سوختي با غشاي تبادل آنيون بعلت برخي از مزايا مانند استفاده از كاتاليست هاي فلزي با قيمت مناسب در الكترودها، خوردگي كم، واكنش احياي سريع اكسيژن در كاتد، اكسيداسيون كارآمد بسياري از سوخت هاي مايع در آند، كاهش ميان عبور شدن سوخت و ... مورد توجه زيادي قرار گرفته است. از اين رو بررسي غشاي تبادل آنيون بعنوان يكي از اجزاي كليدي كه نقش مهمي در تعيين خواص و كارايي اين پيل سوختي دارد، داراي اهميت مي باشد. در پژوهش صورت گرفته غشاهاي تبادل آنيون بر پايه پلي سولفون و گروه هاي عاملي آمونيوم (تري متيل آمين و تترا متيل هگزان دي آمين) تهيه شد. تترا متيل هگزان دي آمين نه تنها به عنوان عامل آمين دار كردن مورد استفاده قرار مي گيرد بلكه نقش عامل اتصال عرضي را نيز دارد. از اين رو باعث بهبود خواص ابعادي، مكانيكي و شيميايي غشا مي شود. در ابتداي اين پژوهش با استفاده از آزمايش هاي غربالگري، پارامترهاي موثر در ساخت غشاي تبادل آنيون مشخص گرديد. سپس با تغيير اين پارامترها طي سه مرحله كلرومتيل دار كردن، آمين دار كردن و قليايي كردن غشاهاي تبادل آنيون نهايي (10 غشا) تهيه شد. پس از ساخت غشاهاي تبادل آنيون، غشاها بصورت برون محلي و درون محلي مورد ارزيابي قرار گرفت. به منظور تاييد واكنش هاي كلرومتيل دار كردن، آمين دار كردن و ايجاد اتصال عرضي، طيف سنجي هاي 1HNMR وFTIR مورد استفاده قرار گرفت. عكس برداري SEM جهت مشاهده ساختار غشا و ترموگرام- هاي TGA و DSC جهت ارزيابي حرارتي غشاهاي تبادل آنيون بكار گرفته شد. همچنين استحكام مكانيكي غشا توسط پارامترهاي استحكام كششي، كشيدگي در نقطه شكست و مدول يانگ بررسي شد و پايداري شيميايي غشا در محيط قليايي مورد ارزيابي قرار گرفت. به علاوه، آزمايش ها و اندازه گيري هاي برون محلي شامل بررسي ظرفيت تبادل يون، هدايت يوني در دماها و رطوبت نسبي هاي مختلف، عدد انتقال، انرژي فعال سازي عبور يون، عدد آبپوشي، ميزان جذب آب و تورم غشا در دماهاي مختلف و آزمايش هاي درون محلي شامل عملكرد و دوام غشا در سيستم پيل سوختي قليايي جامد مورد بررسي قرار گرفت. غشاي تبادل آنيون M-1:3:1.5 (نسبت مولي تري متيل آمين و تترا متيل هگزان دي آمين به گروه كلرومتيل زنجيره پلي سولفون به ترتيب برابر 3 و 5/1) بعنوان غشايي كه عملكرد مناسب در آزمايش هاي برون محلي و درون محلي از خود نشان داد داراي ظرفيت تبادل يون 85/1، عدد انتقال 962/0 و انرژي فعال سازي kJ/mol 23/19 در محيط كاملا مرطوب بود. همچنين در دماي °C 60 مقادير هدايت يوني (در راستاي ضخامت) در محيط كاملا مرطوب، ميزان جذب آب، درصد تورم در راستاي طول، درصد تورم در راستاي ضخامت به ترتيب برابر با mS/cm 14/22، 214%، 52% و 58% بود. پارامترهاي مربوط به ارزيابي مكانيكي اين غشا شامل استحكام كششي، مدول يانگ و كشيدگي در نقطه شكست به ترتيب برابر با MPa 87/53، MPa 1445 و 25/7% بود. نتايج حاصل از اين آزمايش درون محلي در سيستم پيل سوختي هيدروژني براي غشاي تبادل آنيون M-1:3:1.5 در دماي°C 60 شامل پتانسيل مدار باز، حداكثر دانسيته توان و دانسيته جريان حدي به ترتيب برابر V 05/1، mW/cm2 110 و mA/cm2 331 بود. همچنين مقدار افت پتانسيل مدار باز در طي يك ساعت برابر با 8/1% بدست آمد. به علاوه عملكرد برون محلي غشاي M-1:3:1.5 با غشاي تبادل آنيون تجاري مورد مقايسه قرار گرفت و نتايج بدست آمده نشان داد كه غشاي تبادل آنيون تهيه شده در اين پژوهش هدايت يوني بهتري نسبت به غشاي تجاري دارد اما پايداري شيميايي آن نسبت به غشاي تجاري كمتر است. در نهايت با توجه به نتايج حاصل از آزمايش هاي برون محلي و درون محلي، غشاهاي تبادل آنيون تهيه شده مي توانند گزينه مناسبي جهت كاربري در سيستم پيل سوختي قليايي جامد باشد. واژه‌هاي كليدي: پيل سوختي قليايي جامد، غشاي تبادل آنيون، پلي سولفون، تري متيل آمين، تترا متيل هگزان دي آمين.

1395/11/19

1/1/1900 12:00:00 AM

Fuel cells are known as promising technologies in conversion of chemical energy into electrical energy due to high efficiency an​d low environmental impacts. Solid alkaline fuel cells o​r anion exchange membrane fuel cells received more attention among all different types over the last decade. Solid alkaline fuel cells have some advantages over proton exchange membrane fuel cells such as: employing non-expensive metal catalysts (Ag, Ni, o​r Pd), effective reduction of oxygen in cathode, using various liquid fuels, minimizing corrosion problems under alkaline media an​d reducing fuel crossovering due to the counter-current migration of fuel an​d hydroxide ion. In this study anion exchange membranes were prepared based on polysulfone an​d functionalized by trimethylamine an​d N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine using chloromethylation, amination an​d alkalization steps. N,N,N',N'-tetramethyl-1,6-hexanediamine with long alkyl chain merged crosslinking an​d amination processes in one step an​d enhanced mechanical an​d chemical properties of the membranes. 1HNMR an​d FTIR spectra were obtained to confirm chloromethylation, amination an​d crosslinking processes. SEM micrographs were taken to observe the membranes morphology; TGA an​d DSC thermograms were considered for thermal analysis. Furthermore, mechanical strength an​d alkaline stability studies were performed to eva​luate membranes performance. The prepared membranes showed through plane ionic conductivity in the range of 2-42 mS/cm at 30-80 °C in different relative humidities. In addition, the ion exchange capacity an​d anion transport number values were 1.6-2.1 meq/gr an​d 0.95-0.98, respectively. The water uptake an​d swelling ratio parameters were in acceptable ranges an​d illustrated that the prepared anion exchange membranes had anisotropic structure. A single H2/O2 fuel cell test was carried out at 60 °C an​d resulted in open circuit voltage of 1.05 V an​d maximum power density of 110 mW/cm2 at current density of 195 mA/cm2. The experiments demonstrated that by choosing suitable proportions of amination an​d crosslinking agents, the prepared anion exchange membranes exhibited a well-balanced performance between ion transport properties, mechanical an​d chemical stability. Finally, the selected AEM is compared with commercial AEM. The fabricated membrane shows good conductivity relative to commercial one. But chemical stability of commercial membrane is better than the fabricated membrane. Therefore, according to the improved structural, thermal, mechanical an​d chemical stabilities, the prepared AEMs could be good candidate for solid alkaline fuel cell applications. Keywords: Anion exchange membrane (AEM), Polysulfone (PSF), Ammonium groups, Crosslinking, Solid alkaline fuel cell (SAFC)