20724

۲۰۷۲۴

ساخت و بهينه‌سازي مجموعه غشاء- كاتاليست بر پايه پلي‏آنيلين مورد استفاده در پيل سوختي تبادل پروتوني

كارشناسي ارشد

مهندسي سيستم هاي انرژي

۱۳۹۵

۱۳۹۸/۴/۴

دكتر عليرضا زاهدي

دكتر علي غفاري نژاد

فناوري هاي نوين

مشكلات عمده پيل‏هاي سوختي غشاء پليمري قيمت بالا و توان خروجي نسبتا پايين آن‏ها بوده كه اين عوامل به‌طور گسترده تحت تاثير نحوه ساخت، مواد مورداستفاده و عملكرد مجموعه غشاء- كاتاليست قرار دارند. در پژوهش پيش رو، جهت دستيابي به پيل سوختي غشاء پليمري ارزان‌قيمت با حداكثر چگالي توان خروجي به عنوان توابع هدف، اقدام به ساخت و بهينه‌سازي مجموعه غشاء- كاتاليست بر پايه نوع نويني از نانوفيبر‌هاي پلي‏آنيلين به روش طراحي آزمايش و استفاده آن در پيل سوختي شد. به اين منظور، ابتدا با بكارگيري روش‌هاي مختلف، پلي‏آنيلين‏هايي با 4 ساختار متنوع سنتز گشته، كه با استفاده از آزمون‌هاي ميكروسكوپ روبش الكتروني و طيف‌سنجي تبديل فوريه، مناسب‌ترين نوع پليمر سنتز شده با اندازه متوسط ذرات 56 نانومتر، جهت كاربرد در لايه كاتاليست، انتخاب شد. سپس با استفاده از روش‏هاي طراحي آزمايش به‌وسيله نرم‌افزار Design Expert، 17 آزمايش با تعداد 3 تكرار نقطه مركزي، شامل 11 نوع مقادير مختلف بارگذاري پلاتين و پلي‏آنيلين در شرايط دمايي مختلف مشخص گرديدند و با بهره‌گيري از روش‌هاي همچون كندوپاش الكترومغناطيسي(sputtering) و پرس گرم، مجموعه‌هاي مشخص‌شده، با هزينه‏هاي متغيير بين 5 تا 16 دلار، ساخته و مونتاژ شدند. به‌منظور مطالعه رفتار و كارايي مجموعه‌هاي غشاء- كاتاليست در شرايط واقعي، پيل سوختي غشاء پليمري با استفاده از نرم‌افزار SolidWorks با سطح فعال 4 سانتيمتر مربع، طراحي و ساخته شد. تست‌هاي پيل سوختي در شرايط دمايي مختلف و استخراج نمودار پلاريزاسيون براي هر مجموعه، نشان‏دهنده دستيابي به چگالي توان بيشينه 660 ميلي‏وات بر سانتيمتر مربع بود. با كامل كردن گام طراحي آزمايش، اقدام به بهينه‌سازي توابع هدف برحسب متغيرهاي ورودي شامل بارگذاري پلاتين، پلي‏آنيلين و شرايط دمايي در دو محدوده داخلي و خارجي طراحي، به‌منظور بيشينه‌سازي توان خروجي هم‌زمان با حداقل كردن قيمت، شد. مجموعه‌هاي بهينه ساخته‌شده مجددا به مننظور بررسي حداكثر چگالي توان، تحت آزمون پلاريزاسيون قرار گرفتند كه نتايج نشان داد بيشينه چگالي توان در محدوده طراحي براي مجموعه غشاء- كاتاليست با بارگذاري هاي پلاتين و پلي‏آنيلين بترتيب 2/0 و 3/0 ميلي‏گرم بر سانتيمتر مربع و هزينه توليد 5/9 دلار، مقدار 564 ميلي‏وات بر سانتيمتر مربع بوده در حالي كه اين ميزان در شرايط بهينه‏سازي خارج از محدوده طراحي با بارگذاري هاي پلاتين و پلي‏آنيلين بترتيب 263/0 و 1/0 ميلي‏گرم بر سانتيمتر مربع و هزينه توليد 11 دلار، 712 ميلي‏وات بر سانتيمتر مربع مي‏باشد.

1398/04/23

Synthesis and optimization of polyaniline-based membrane-catalytic assembly used for polymer exchenge membrane fuel cell (PEMFC)

6/24/2020 12:00:00 AM