SUPERVISOR
Mortaza Sadeghi,Mahmood Masoomi
مرتضی صادقی (استاد راهنما) محمود معصومی (استاد مشاور)
STUDENT
Ali Adloo
علی عدلو
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Fabrication of Bipolar Plate Based on Polypropylene Matrix for Using in Polymer Fuell Cell
To use clean energy has been served as one of the main human concerns. For this, there have developed wide variety of approaches to generate clean energy. Hydrogenous energy and using fuel cells are the best options for human. Among the fuel cells, the polymeric one has been extended considerably mostly due to its higher productivity as well as its function in low temperatures for different applications such as traortation and automobile application. The bipolar plates are one of the most important parts of polymer fuel cells which have contribution in electron transferring are in different types like those of graphite, metal and conducive polymer composites among others. In the present research, we dealt with generation of polypropylene based bipolar plate using the various electricity conducive additions like graphite, graphene and two types of carbon black we also used polypropylene linked to maleic anhydride and polyethylene wax to improve addition particles diffusio properties. The graphene was produced in respect to Hummer chemical reduction method. Having been graphene was produced; some tests including x-ray diffraction, infera red spectrometer and atomic force microscope were applied to evaluate the produced matter. The x-ray diffraction test indicated much more plate’s distances (intervals) as graphite plate’s oxidation obviously. application of infera red spectrum showed tension vibration of hydroxyl group C-O in 1056 Cm -1 , tension vibration of Epoxy groups (C-O) in wavenumber 1166 Cm -1 , tension vibration of carboxyl groups C-O in wavenumber 1427 Cm -1 , tension vibration of Carbonyl groups C=O in wavenumber range of 1728 Cm -1 and tension vibration of O-H grou in wavenumber interval of 3100-3600 Cm -1 for graphite oxide. The most existed factors (agents) except for hydroxyl ones, were reduced and converted into conjugated bonds having been reduction affected by hydrazine. The atomic force microscope indicated that most plates are those have about 1 nm or less thickness. Polypropylene polymer fuel cells were considered as a background to generate bipolar plates. The internal mixing device and compression molding methods were used to mixing - melting and molding materials respectively. To see effect of polypropylene linked to maleic anhydride and polyethylene wax on graphene particles diffusion in polypropylene, the transmitting light microscope was used. Results of the transmitting light microscope indicated that to apply polypropylene linked to maleic anhydride is much more effective on graphene particles diffusion mainly because of its polarity group. The electrical conductivity and bending strength tests were used to evaluate required properties of produced polymer fuel cells bipolar. the7% weighted carbon black of Akzonobel type with electrical conductivity of 104.63 s/cm was the best sample in electrical conductivity test. The three-point bending test was applied to deal with bending strength. The best samples in terms of bending strength were 1% weighted graphene. To evaluate the composition morphology the scanning electron microscopic test was applied. This test suggested that application of graphene might be located perpendicular to mold pressure while molding and leading to increased electricity conductivity paths due to its platestructure. Keywords: Bipolar plate, polypropylene, graphene, electrical conductivity, polymer fuel cell
استفاده از انرژی پاک از دیرباز یکی از دغدغههای بشر بوده است. بدین منظور روشهای متنوعی برای تولید انرژی پاک پی گیری شده است. یکی از بهترین گزینه های پیش روی بشر انرژی هیدروژنی و استفاده از پیل های سوختی میباشد. از میان پیل های سوختی، نوع پیل سوختی پلیمری به دلیل بهره مندی از بازده بالا در کنار کارکرد در دمای پائین برای کاربردهای متنوعی نظیر کاربردهای قابل حمل و استفاده در خودرو گسترش قابل توجهی یافته است. یکی از مهمترین قسمتهای پیل سوختی پلیمری صفحات دوقطبی میباشند. صفحات دو قطبی که انتقال الکترون را بر عهده دارند دارای انواع متفاوتی مانند گرافیتی، فلزی وکامپوزیت های پلیمری رسانا میباشند. دراین پژوهش ساخت صفحات دوقطبی برپایه پلی پروپیلن همراه با استفاده از افزودنی های هادی الکتریسیته مختلف مانند گرافیت، گرافن و دو نوع دوده نانومتری پی گیری شد. همچنین از پلی پروپیلن پیوند زده شده با مالئیک انیدرید و واکس پلی اتیلن برای بهبود پراکندگی ذرات افزودنی استفاده شد. تولید گرافن بر اساس روش کاهش شیمیایی هامر پیش رفت. بعد از تولید گرافن آزمونهایی مانند پراش اشعه ایکس، طیف سنج فروسرخ ومیکروسکوپ نیروی اتمی برای بررسی ماده تولیدی استفاده شد. آزمون پراش اشعه ایکس افزایش در مقدار فاصله بین صفحات با اکسید کردن صفحات گرافیتی رانشان داد. استفاده از طیف سنج فروسرخ، ارتعاشکششی گروههایC-O (هیدروکسیل) در Cm -1 1056، ارتعاش کششی گروههایC-O)اپوکسی) در عدد موجCm -1 1166، ارتعاش کششی گروههای C-O کربوکسیل درCm -1 1427 ، ارتعاش کششی گروههای C=O(کربونیل) در Cm -1 1728و ارتعاش کششی گروههای O-Hدر بازه عدد موجیCm -1 3100-3600 برای اکسید گرافیت رانشان داد. بعد از کاهش توسط هیدرات هیدرازین اکثر عوامل موجود بجز عوامل هیدروکسیلی کاهش و تبدیل به پیوند دوگانه شدند. میکروسکوپ نیروی اتمی نشان داد که بیشتر صفحات دارای ضخامتی در حدود 1 نانومتر و کمترمیباشند. برای تولید صفحات دوقطبی پیل سوختی پلیمری پلی پروپیلن به عنوان زمینه در نظر گرفته شد. برای مخلوط کردن و ذوب کردن مواد از دستگاه مخلوط کن داخلی و برای قالبگیری از روش قالبگیری تراکمی استفاده شد. برای بررسی اثر پلی پروپیلن پیوند زده شده با مالئیک انیدرید و واکس پلی اتیلن بر پراکندگی ذرات گرافن در پلی پروپیلن از میکروسکوپ نوریعبوری استفاده شد. نتایج میکروسکوپ نوری عبورینشان داد که استفاده از پلی پروپیلن پیوند زده شده با مالئیک انیدرید بدلیل قطبی بودن تأثیرگذارتر بر روی پراکندگی ذرات گرافن میباشد. برای بررسی خواص مورد نیاز صفحات دوقطبی پیل سوختی پلیمری تولید شده آزمون های هدایت الکتریکی و استحکام خمشی استفاده شد. بهترین نمونه در آزمون هدایت الکتریکی نمونه با 7% وزنی دوده نوع آکزونابل با هدایت الکتریکی s/cm 63/104بود. برای بررسی استحکام خمشی از آزمون خمش سه نقطهای استفاده شد. بهترین نمونه از نظر استحکام خمشی نمونه دارای 1% وزنی گرافن بود. آزمون میکروسکوپ روبشی الکترونی برای بررسی ریخت شناسی ترکیبات استفاده شد. این آزمون نشان داد که استفاده از گرافن به دلیل ساختار صفحهای میتواند در لحظهقالبگیری در جهت عمود بر فشار قالب قرار گرفته و باعث افزایش مسیرهای هادی الکتریسیته شود. کلمات کلیدی : صفحات دوقطبی،پیل سوختی پلیمری، گرافن،هدایت الکتریکی، پلی پروپیلن