18072

18072

مدلسازي تخريب غشاهاي تبادل پروتون در پيل هاي سوختي الكتروليت پليمر جامد

كارشناسي ارشد

فرآيندهاي جداسازي

فروردين ماه 1395

دكتر سوسن روشن ضمير

مهندسي شيمي

غشاي تبادل پروتون يكي از كليدي‌ترين اجزاي پيل سوختي الكتروليت پليمري است. تخريب غشاي تبادل پروتون ناشي از تنش‌هاي مكانيكي، حرارتي و حمله شيميايي راديكال‌هاي حاصل از هيدروژن‌پراكسيد تشكيل‌شده در حين واكنش‌هاي الكتروشيميايي، مهم‌ترين مانع در مسير توسعه‌ي آن محسوب مي‌شود كه از اين ميان تخريب شيميايي عمده‌ترين نقش را در كاهش طول عمر غشا دارد. از اين‌رو در اين پژوهش به بررسي و مدلسازي تخريب شيميايي غشاهاي تبادل پروتون طي آزمون تسريع يافته‌ي برون محلي فنتون پرداخته شده‌است. اين مدلسازي بر روي غشاهاي پرفلورينه (نفيان) و هيدروكربني (پلي‌بنزيميدازول) انجام شده‌است. مدل با استفاده از انتقال جرم و سينتيك واكنش‌هاي تخريب بيان‌شده در مقالات، توسعه داده شد. حل مدل به‌صورت عددي با روش المان محدود با بهره‌گيري از نرم‌افزار كامسول صورت گرفت. مدلسازي تخريب غشا پرفلورينه (نفيان) با دو فرض متفاوت وجود و عدم وجود گروه‌هاي كربوكسيليك در ساختار نفيان، انجام‌شد. نتايج محاسباتي در مدل دو بعدي با اطلاعات آزمايشگاهي منتشر شده در مقالات مقايسه‌گرديد و ضريب تعيين كاهش وزن غشاي نفيان در اثر تخريب‌شيميايي با فرض وجود و عدم وجود گروه‌هاي كربوكسيليك به ترتيب 0.981 و 0.979 بدست‌آمد. ضريب تعيين مدلسازي سه بعدي غشاي پرفلورينه نفيان با فرض حضور گروه‌هاي كربوكسيليك در ساختار اوليه‌ي غشا، در خصوص كاهش وزن 0.958 و در رابطه با رهايش فلوئوريد هيدروژن كه اندازه‌گيري غلظت آن معياري از تخريب غشا است، به ميزان 0.995 مي‌باشد. مدلسازي تخريب غشاي هيدروكربني پلي‌بنزيميدازول با استفاده از انتقال جرم و سينتيك تخريب غشا بدست آمده از برازش اطلاعات آزمايشگاهي منتشر شده، انجام شد. حل عددي مدل نيز با روش المان محدود با استفاده از نرم‌افزار كامسول صورت گرفت. ثابت سرعت واكنش با فرض تخريب كامل غشاي هيدروكربني پلي‌بنزيميدازول و تبديل آن به دي‌اكسيدكربن بعنوان محصول نهايي، بدست‌آمد. نتايج بدست آمده، نشان‌دهنده‌ي توانايي مدل ارائه ‌شده در پيش‌بيني فرآيند تخريب غشاي تبادل پروتون مي‌باشد. واژه‌هاي كليدي: پيل سوختي غشا تبادل ‌پروتون، تخريب غشا، آزمون فنتون، غشاي نفيان، غشاي پلي‌بنزيميدازول.

1396/08/29

11/20/2017 12:00:00 AM

Proton exchange membrane is main part of polymer electrolyte fuel cell. membrane degradation caused by mechanical stresses, thermal stresses and chemical attack of radicals such as H2O2. These radicals are formed during electrochemical reactions in membrane and are the main effective barrier in developing fuel cell. Chemical degradation is main part of decreasing membrane life time. Therefore, in this research chemical degradation modeling of proton exchange membrane during exsitu accelerated fenton test has been considered. This modeling has been done for per fluorinated membrane (nafion) and hydrocarbon membrane (polybenzimidazole). It has been developed by mass transfer and mentioned kinetic of degradation reactions in researches. model is based on numerical solution with finite element by using Comsol software. Degradation modeling of per fluorinated membrane (nafion) has been done with two assumptions of existence and absence of carboxylic groups in nafion structure. Result of 2D modeling has been compared with issued experimental data. R-squared of nafion membrane weight loss caused by chemical degradation with two assumptions of existence and absence of carboxylic groups are 0.981 and 0.979 respectively. Result of 3D modeling has been compared with issued experimental data. R-squared of nafion membrane weight loss caused by chemical degradation with existence of carboxylic groups in initial structure of membrane is 0.958 and R- Squared of HF emission rate which is criterion of membrane degradation is equal to 0.995. Hydrocarbon membrane degradation modeling has been developed by mass transfer and gained kinetic membrane degradation from experimental data in researches. Reaction rate coefficient had been obtained by considering carbon dioxide as final product of polybenzimidazole degradation reaction. Results confirm model capability of membrane degradation prediction. Key words: proton exchange membrane fuel cell, membrane degradation, fenton test, nafion membrane, polybenzimidazole membrane.