11107

854 دكتري

دكتري

مهندسي شيمي

اصفهان: دانشگاه صنعتي اصفهان، دانشكده مهندسي شيمي

1394

هجده، 132ص.: مصور

احمد محب، مهران جوانبخت

مهدي پور افشاري چنار، محمد ژياني، ارجمند مهرباني

1395/01/15

مهندسي شيمي

ID854 دكتري

1 چكيده در اين پاياننامه غشاهاي نانوكامپوزيتي آلي معدني بر پايه پليمر PBI PBI Fe2TiO5 PFT PBI La2Ti2O7 PLT و PBI SrCeO3 PSC با درصد جرمي گوناگوني از نانوذرات تهيه شدند و سپس اين غشاهاي نانوكامپوزيتي به منظور يافتن قابليت رسانايي پروتون با استفاده از فسفريك اسيد دوپ شدند ساختار غشاهاي نانوكامپوزيت به دست آمده با استفاده از روش SEM EDX آناليز XRD و FT IR مورد بررسي قرار گرفت و نتايج نشان دهنده همگن بودن پراكندگي نانوذرات معدني درون شبكه پليمري PBI بود همچنين بررسي پايداري مكانيكي شيميايي و ميزان ليچينگ فسفريك اسيد غشاهاي نانوكامپوزيتي نيز نشاندهنده كاربردپذيري بالاي غشاهاي نانوكامپوزيت PLT PFT و PSC در پيلهاي سوختي PEM دماي بالا بود بالاترين ميزان سطح دوپينگ با فسفريك اسيد براي هر نوع از غشاها براي غشاهاي نانوكامپوزيتي 4 PLT8 PFT و 8 PSC به دست آمد كه به ترتيب بيشينه رسانايي پروتون 0 082 S cm 0 078 S cm و 0 105 S cm را از خود نشان دادند سپس اين غشاها براي به كارگيري در تك سل مجموعه غشا الكترود MEA پيل سوختي PEMFC دماي بالا به كار برده شدند كه در ميان آنها بيشترين چگالي توان و چگالي جريان براي غشاي نانوكامپوزيت 8 PSC بدست آمد كه داراي بيشترين ميزان رسانايي پروتون بود افزون بر اين پيشبيني رسانايي پروتون غشاهاي نانوكامپوزيتي دوپ شده با فسفريك اسيد با استفاده از سه مدل رسانايي پروتون مدل غيرآرنيوسي مدل براگمن و مدل چوي انجام شد نتايج نشان داد كه رسانايي پروتون پيشبيني شده توسط مدل غيرآرنيوسي توافق بسيار خوبي با دادههاي آزمايشگاهي دارد اما اين مدل اثر ويژگيهاي ساختاري را بر روي رسانايي پروتون غشاهاي نانوكامپوزيت در نظر نميگيرد اثرات سطح دوپينگ با فسفريك اسيد PAdop جز حجمي فسفريك اسيد درون غشاها PA جز جرمي نانوذرات wd و دما بر روي رسانايي پروتوني غشاها در مدل نيمه تجربي ساده براگمن در نظر گرفته شد اين مدل رسانايي پروتون به دست آمده براي غشاهاي PFT و PLT را با درصد خطاي نسبي خوبي به ترتيب 07 2 و 32 4 پيشبيني كرد اما نتايج نشاندهنده ميزان درصد خطاي بيشتري 12 7 براي غشاي PSC بود بنابراين مدل توسعه داده شده براگمن يك برآورد اوليه و نسبتا خوب را براي رسانايي پروتون غشاهاي نانوكامپوزيت PLT PFT و PSC به دست داد در مدل پيچيدهتر چوي اثر ويژگيهاي ساختاري و فيزيكي غشاها به خوبي در نظر گرفته شد در اين مدل تخلخل يا جز حجمي فسفريك اسيد درون غشاها مشخصه پيچ و خم غشاها و غلظت پروتون درون غشاها به صورت تئوري و پارامتر ضريب نفوذ پروتون ناشي از مكانيزم جهشي به صورت تئوري تجربي با كمك نرمافزار گاوسين تعيين شدند رسانايي پروتون غشاهاي نانوكامپوزيت PLT PFT و PSC پيشبيني شده توسط اين مدل داراي درصد خطاهاي نسبي پايينتري 99 1 براي غشاي 4 33 PFT براي غشاي PLT و 86 2 براي غشاي PSC

133 ABSTRACT In this thesis PBI based organic inorganic nanocomposite membranes PBI Fe2TiO5 PFT PBI La2Ti2O7 PLT and PBI SrCeO3 PSC were prepared with different mass percentages of the nanoparticles and then the nanocomposite membranes were doped with phosphoric acid in order to show the property of proton conductivity The structure of the resulting nanocomposite membranes were examined by SEM EDX XRD and FT IR analyses and the results showed the homogenous dispersion of the inorganic nanoparticles within the PBI polymer matrix Furthermore investigation of the mechanical and chemical stability and phosphoric acid leaching of the nanocomposite membranes showed the applicability of PFT PLT and PSC nanocomposite membranes in high temperature PEM fuel cells The highest phosphoric acid doping levels of the nanocomposite membranes were found for PFT4 PLT8 and PSC8 membranes that showed the maximum proton conductivities of 0 078 0 082 and 0 105 S cm respectively These membranes were used in a single cell of membrane electrode assembly MEA for application in high temperature PEMFCs The highest power and current density were found for PSC8 which showed the highest proton conductivity among the nanocomposite membranes In addition proton conductivity of the phosphoric acid doped nanocomposite membranes was predicted using three models non Arrhenius model Bruggeman model and Choi model The results showed that the proton conductivities predicted by the non Arrhenius model had a good agreement with the experimental data but this model does not consider the effects of structural properties on the proton conductivity of the nanocomposite membranes The effects of phosphoric acid doping level PAdop volume fraction of phosphoric acid in the membranes PA mass fraction of the nanoparticles wd and temperature on the proton conductivities predicted by the semi empirical Bruggeman model has been considered The proton conductivities predicted by this model for PFT and PLT membranes showed relatively low relative errors 2 70 and 4 23 respectively while a higher relative error 7 21 was obtained for PSC membrane Therefore the developed Bruggeman model can be used for a relatively good estimation of the proton conductivity of the nanocomposite membranes PFT PLT and PSC In adition the effects of structural characteristics of the membranes are well considered in the Choi model which have more complexibility rather than the other models In this model porosity or volume fraction of phosphoric acid inside the membranes structure proton concentration and tortusity factor of the membranes were determined theoretically and proton diffusion coefficient was predicted theoretically experimentally with the aid of Gaussian software The proton conductivities predicted by this model for the nanocomposite membranes PFT PLT and PSC showed relatively lower errors 1 99 for PFT 4 33 for PLT and 2 68 for PSC than those of Bruggeman model So because the proton conductivities obtained by this model had lower relative errors and this model condiders the structural properties of nanocomposite membranes as well as the proton hopping mechanism for proton transfer along the membranes it has a better capability for prediction of proton conductivity of the nanocomposite membranes Keywords Organic inorganic nanocomposite membranes PBI Proton conductivity High temperature proton exchange membrane fuel cell HT PEMFC Modeling

احمد محب، مهران جوانبخت

مهدي پور افشاري چنار، محمد ژياني، ارجمند مهرباني