پديد آورنده :
كيوان نژاد، محسن
عنوان :
بررسي نقش اجزاي لايه كاتاليست در تشكيل ريز ساختار و عملكرد الكترود نفوذي گازي در پيل سوختي پليمري
مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
شيمي فيزيك
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
دوازده،55ص.: مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها :
پيل سوختي پليمري , لايه كاتاليست , ساختار , تخلخل لايه كاتاليست , درصد نفيون
تاريخ ورود اطلاعات :
1401/11/01
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1401/11/08
چكيده فارسي :
به دليل سينتيك كند واكنش احياء الكتروشيميايي اكسيژن در پيلهاي سوختي و وابستگي آن به ريز ساختار، نوع و اندازه ذرات تشكيل دهنده لايه كاتاليست و بهينه سازي اين لايه مهم از پارامترهاي موثر بر عملكرد پيل سوختي پليمري ميباشد. لايه كاتاليست از نانو ذرات پلاتين بر روي بستر كربني و نانو ذرات نفيون تشكيل شده است. اكسيژن با عبور از فضاهاي خالي لايه كاتاليست به سطح پلاتين ميرسد و واكنش احياء صورت ميگيرد. بنابراين بهينه سازي حجم فضاي خالي كه از ميكرو و نانو حفرات فراواني تشكيل شده است، در بهبود عملكرد پيل سوختي نقش بسزايي دارد. همچنين اثر بستر الكترود در ايجاد فضاي مناسب براي انجام واكنش الكتروشيميايي در الكترود مهم ميباشد.
در اين پروژه با مقايسه دو بستر الكترود بالارد(Ballard) و توري(TGP) مشاهده شد با افزايش رطوبت الكترود از 30% به 100%، بستر بالارد عملكرد بهتري نشان ميدهد زيرا قطر حفرات بالارد به دليل چگالي توده كم، بزرگتر است و در رطوبت بالا انتقال گازها در آن بهتر صورت ميگيرد .
در اين پروژه همچنين اثر مقدار نانوذرات پلاتين، نفيون وكربن در لايه كاتاليست بر عملكرد پيل سوختي مورد بررسي قرار گرفت . با تغيير مقدار بارگذاري نانوذرات پلاتين، نفيون و يا كربن حجم فضاي خالي لايه كاتاليست در الكترود محاسبه و اثر آن بر عملكرد الكترود در پيل سوختي مورد بررسي قرار گرفت. ساختار كريستالي و سايز نانوذرات پلاتين 30% توسط تكنيك پراش پرتو ايكس(XRD) مورد بررسي قرار گرفت. ريز ساختار لايه كاتاليست نيز توسط تكنيك ميكروسكوپ الكتروني روبشي(SEM ) مطالعه شد. با استفاده از معادلات مربوطه حجم فضاي خالي لايه كاتاليست محاسبه شد. با استفاده از تكنيك SEM ضخامت لايه كاتاليست ساخته شده بين 15-17 ميكرومتر بدست آمد. با توجه به تكنيك XRD ساختار كريستالي كاتاليست( fcc)تعيين شد و سايز ذرات پلاتين 6/3 نانومتر بدست آمد. با افزايش درصد نفيون از 25% به 31%، حجم فضاي خالي لايه كاتاليست از 8/26% به 1/19%كاهش يافت. با تغيير مقدار بارگذاري پلاتين از 48/0 به 85/0(mg.cm-2) حجم فضاي خالي لايه كاتاليست تغيير نكرد(8/26%). نتايج نشان داد نفيون عامل اصلي در تعيين حجم فضاي خالي لايه كاتاليست ميباشد. به دليل چگالي بالاي پلاتين در بارگذاريهاي مختلف آن حجم فضاي خالي لايه كاتاليست تغيير قابل توجهي نميكند.
كلمات كليدي: پيل سوختي پليمري، لايه كاتاليست، ساختار، تخلخل لايه كاتاليست، درصد نفيون
چكيده انگليسي :
Abstract
Due to low rate of Oxygen Reduction Reaction (ORR) in PEMFC and its dependence to the microstructure, the type and size of the catalyst particles, cathode catalyst layer (CCL) is an important component in PEMFC. Therefore optimization of the nanostructure of CCL is an effective factor on the PEMFC performance. CCL made of carbon supported Pt nanoparticles and Nafion. Oxygen transports through the void volumes of the CCL in order to reach the Pt surface. So optimization of void volumes which formed of micro and nano pores is an effective factor in enhancing the PEMFC performance. The electrode substrate is another important factor on the PEMFC performance because of providing the support of the electrode electrochemical reaction.
In this project, Ballard and Toray (TGP) substrate electrode was compared. Result indicated that with increasing gas humidity from 30% to 100%, Ballard substrate show the higher performance than Toray substrate. It can be explained Ballard substrate have larger pore diameter because of lower bulk density. So gas transport through the Ballard substrate improves at high humidity gas.
In this study, the effect of Pt nanoparticle, Nafion and carbon loading in CCL on the PEMFC performance was investigated. With changing in Pt, carbon or Nafion loading, void volumes of catalyst layer were determined and the PEMFCs performance were investigated. Crystal structure and size of Pt nanoparticles (Pt/c 30wt.%) were characterized by the X-ray diffraction (XRD) technique. CCL microstructure was investigated by the Scanning Electron Microscopy (SEM) technique. According to respective equations, void volumes of CCLs were calculated. CCLs thickness was evaluated between 15-17 µm by SEM. According to XRD results, the crystal structure of the Pt particles was face centered cubic (fcc) and the particle size 3.6 nm were calculated. Void volume of the CCLs decrease from 26.8% to 19.1% with increasing the Nafion loading from 25% to 31%. By changing the Pt loading of 0.48 to 0.85 (mg.cm-2) CCL void volume was not significantly changed. The results showed that the void volume is affected by Nafion loadings. Because of high density of Pt, with the increasing the Pt loading void volumes of CCLs were significantly changed.
Keywords:
PEMFC, Catalyst Layer, Structure, Catalyst Layer porosity, Nafion loading
استاد راهنما :
محمد ژياني
استاد داور :
بيژن نجفي , پيمان صاحب سرا