25543

مدلسازي و بررسي آزمايشگاهي پديدة تخريب در دذئئدتل هيدروكربني در پيل‌هاي سوختي

دكتري

مهندسي شيمي

1391

1400/01/29

دكتر سوسن روشن ضمير

مهندسي شيمي

به دست آوردن همزمان سه خصيصه‌‌ي "عملكرد خوب"، "قيمت مناسب" و "دوام لازم" چالش جديد پيش‌روي محققان عرصه‌ي پيل‌هاي سوختي است. اين پژوهش، به هدف بررسي تجربي فرآيند تخريب در غشاي هيدروكربني اسپيك و توسعه مدلي براي بيان اين پديده صورت گرفت. در اين راستا در بخش تجربي غشاي اسپيك ساخته شد و بر روي آن آزمون‌هاي تسريع يافته تخريب اعمال شد. طي فرآيند تخريب، از غشا نمونه‌برداري شد و آزمون‌هاي مختلفي، براي بررسي روند تخريب و نحوه‌ي تاثير آن بر ويژگي‌هاي غشا، بر روي اين نمونه‌ها انجام شد. براي مثال نشان داده شد كه در تخريب شيميايي جذب آب غشا تا 70% افزايش مي‌يابد، داده‌هاي FTIR نشان داد كه طي تخريب شيميايي بيشترحلقه‌ي آروماتيكي كه گروه سولفون داشته مورد حمله قرار گرفته است‌، داده‌هاي آزمون HNMR كاهش 6% درجه سولفون‌دار شدن را نمايان كرد و آزمون تراوايي نشان داده كه غشا اسپيك نفيان 150%بيش از غشا اسپيك تخريب شده در برابر هيدروژن تراوايي دارد. در راستاي مدلسازي اين پديده، دو زير-مدل يكي براي اعمال تغييرات جذب آب در غشا و تاثير آن بر هدايت پروتوني (زير-مدل هيدراسيون) و ديگري زير-مدلي براي بيان سينتيك حمله‌ي راديكال‌ها به بدنه‌ي پليمري غشا (زير-مدل سينتيك تخريب) ساخته شد. زير-مدل هيدراسيون در فضاي MATLAB طراحي شد و علاوه بر امكان تخمينِ ميزانِ جذب آب و هدايت پروتوني، در شرايط عملياتي گوناگون، بهينه شرايط عملياتي كار با پيل سوختي با غشا اسپيك را نيز مشخص كرد. نتايج به دست آمده از زير-مدل سينتيك تخريب، نحوه‌ي تغييرِ توزيعِ طولِ زنجيره‌هاي پليمري و همچنين وزن ميانگين مولكولي پليمر را با زمان تخريب و اثر آن را بر برخي ويژگي‌هاي مهم غشا، نشان داد. سر انجام، با اعمال معادله‌هاي حاكم بر پديده‌هاي انتقال موجود در يك پيل سوختي مدلي پويا از يك مجموعه الكترود-غشا با غشا اسپيك توسعه داده شد و با وارد كردن زير-مدل‌هاي بالا در آن، مدل كلي تخريب غشا اسپيك در يك پيل سوختي شكل گرفت. نتايج حاصل، افت عملكرد پيل سوختي در اثر تخريب را پيش‌بيني كرد. از آن جمله مي‌توان به افت ولتاژ مدار-باز اين پيل در زمان اشاره ‌كرد. اين داده‌هاي افت ولتاژ با داده‌هاي تجربي مقايسه و اعتبار سنجي شد و خطاي قابل قبول 15% را نمايان كرد.

1400/08/30

Modeling and Experimental Analysis of Degradation in Hydrocarbon Polymer Proton Exchange Membrane Fuel Cells

4/18/2022 12:00:00 AM

Acquiring the three attributes of "good performance", "reasonable price" and "durability" at the same time is a new challenge for fuel cell researchers. This study aimed to experimentally investigate the degradation process in SPEEK (sulfonated poly ether ether ketone) as a proton exchange membrane and to develop a model for expressing this phenomenon. In this regard, in the experimental part, a SPEEK membrane was fabricated and was examined by AST (accelerated stability tests). During the degradation test, the membrane was sampled, and various tests were performed on these samples to investigate the degradation process and how it affects the membrane properties. For example, in chemical degradation, membrane water uptake was increased by up to 70%. FTIR data showed that during chemical degradation, most of the aromatic ring that containing the sulfonate group was attacked. HNMR test data showed a 6% decrease in the degree of sulfonation. And permeability test showed that the negation SPEEK membrane is 150% more permeable to hydrogen than the damaged SPEEK membrane. To model this phenomenon, two sub-models, one for applying water absorption changes in the membrane and its effect on proton conduction (hydration sub-model) and the other sub-model for expressing the attack kinetics of radicals on the polymer body of the membrane (kinetic sub-model) ) Was made. The hydration sub-model was designed in MATLAB space and in addition to the possibility of estimating the amount of water absorption and proton conduction, in different operating conditions, also determined the optimal operating conditions for working with a fuel cell with a SPEEK membrane. The results obtained from the degradation kinetics sub-model showed how the length distribution of polymer chains changed as well as the average molecular weight of the polymer with the degradation time and its effect on some important membrane properties. Finally, by applying the equations governing the transfer phenomena in a fuel cell, a dynamic model of an electrode-membrane set with a SPEEK membrane was developed, and by including the above sub-models, the general model of SPEEK membrane destruction in a fuel cell is shaped. Took. The results predicted a decline in fuel cell performance due to degradation. One of them is the drop in open-circuit voltage of this cell over time. These voltages drop data were compared and validated with experimental data and showed an acceptable error of 15%.

پيل سوختي , غشا تبادل پروتون , مدلسازي تخريب , پلي اتر اتر كتون

fuel cell , proton exchange membrane , modeling , poly ether ether ketone