Skip to main content
SUPERVISOR
شادپور ملک پور (استاد راهنما) مهدی خیرمند (استاد مشاور) مرتضی صادقی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohamad Jalil Namazi Fard
محمدجلیل نمازی فرد

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

Synthesis of Sulfonated Polyimide Membrane for PEM Fuel Cell Application and Investgating the Effect of Nano Silica on its Performance
: The global supply of energy is highly dependent on fossil fuels and gives rise to global warming due to the emission of greenhouse gases such as carbon dioxide. Fuel cells are emerging technologies for clean power generation in place of the combustion of fossil fuels. Particularly, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) can be used as alternatives to internal-combustion engines in vehicles, as well as power supplies in stationary and portable applications. Furthermore, for PEMFC-based applications to achieve commercial success, the membrane must be capable of performing well under increasingly stringent operating conditions (e.g., high temperature, low relative humidity). Even Nafion, currently the most widely used membrane, does not satisfactorily meet all of these criteria. Sulfonated polyimides (SPI) have been considered as promising alternative for Nafion. Sulfonated polyimide has good properties but suffers from hydrolytic stability. Researchers have suggested different routes to increase hydrolytic stability of polyimide. Using aliphatic moeties in polymer structure is one of important route to increase hydrolytic stabilityin polyimide. In this project, three kind of aliphatic-ether diamine like: 1,13-diamno-4,7,10-trioxatridecane (TOTD), 4,9-dioxa-1,12-dodecane diamine (DODD) and 1,8-diamino-3,6-dioxaoctane (DOO) be used. Also, 3,3?,4,4?-benzophenonetetracarboxylic dianhydride (BTDA) and 4,4?-oxydianiline (ODA) as fully aromatic dianhydride and diamine, has been used. Post-sulfonation was applied for sulfonation of polyimide. At first step polyamic acid prepared from diamine and dianhydride and then Polyamic acid treated with concentrated sulfuric acid for two hours for carring out post-sulfonation method. Then, sulfonated polyimide membrane was prepared by thermal imidization of casted film. This project based on two parts. At the first of the project, four membranes prepared. Because two of the membranes were broken. The characteristic parameters of the membranes were not measured. Fully aromatic SPI membrane and SPI membrane contain 20% DOO diamine successfully prepared and characterized. Water uptake result showed that both membranes could absorb 5.4% water while is lower than Nafion. But average number of water molecules per sulfonic acid group (?) is higher than Nafion. Hydrolytic stability for SPI contains 20% mole aliphatic-ether moiety was measured about 60 hours and it was 48 hours for fully aromatic structure. Ion exchange capacity (IEC) for fully aromatic structure was 0.379 equiv/gram and it was higher than SPI contain 20% mole aliphatic-ether moieties but both of them have lower IEC than Nafion. Proton conductivity increased from 1.5 × 10 -3 (mZ/cm) for SPI contain 20% mole aliphatic-ether moieties to 2 × 10 -3 for fully aromatic SPI, measured proton conductivity for Nafion was 10 -4 . So both synthesis membranes had higher conductivity than Nafion. At second part of project nanocomposite membrane prepared by addition nano silica to fully aromatic SPI at various weight percentage. Micrograph photo observation indicated phase separation between Ionic and non-Ionic sequence. IEC for nanocomposite membranes contain 2, 4 and 8 wt % was respectively, 0.316, 0.242 and 0.081 and proton conductivity was 10 -2 , 2.2 ×10 -3 and 6.1 ×10 -2 . Proton conductivity of nanocomposite membrane was higher than pristine SPI and Nafion. Maximum measured water uptake was 11% for nanocomposite membranes contain 4 wt% nano silica. Generally, addition nano silica to sulfonated polyimide increased water uptake and ? than pristine SPI. Keyword: sulfonated polyimide, post-sulfonation, aliphatic-ethric diamine, sulfonated polyimide-nano silica nanocomposite, thermal imidization.
: آلودگی های زیست محیطی و محدودیت منابع سوخت های فسیلی، استفاده از انرژی های نو و پاک را غیر قابل اجتناب کرده است. پیل های سوختی پلیمری یکی از این منابع انرژی پاک است. اما قیمت بالای انرژی تولیدی، تجاری سازی آن را مشکل ساخته است. قیمت بالای انرژی تولیدی ناشی از قیمت بالای اجزای پیل سوختی می باشد. یکی از اجزای گران قیمت و پر اهمیت پیل های سوختی پلیمری، الکترولیت آن است که از جنس مواد پلیمری می باشد. پلی ایمید سولفونه یکی از مواد پیشنهادی برای جایگزینی به جای نفیون غشاء تجاری پیل سوختی است. پلی ایمید سولفونه علاوه بر دارا بودن مزایای عالی که آن را به عنوان یک ماده نوید بخش معرفی کرده است، در برابر هیدرولیز تخریب پذیر می باشد. این ضعف تمامی خواص خوب آن را تحت تاثیر قرار داده و تجاری سازی آن را مشکل ساخته است. تاکنون راه های متعددی برای رفع این معضل ارائه شده است. در این پژوهش سعی شده است که با استفاده از دی آمین های آلیفاتیک با گروه های انعطاف پذیر اتری این مشکل برطرف گردد به همین منظور از دی آمین های آلیفاتیک-اتری از سه نوع دی آمین آلیفاتیک با گروه های اتری که شامل 1و13 دی آمینو- 4و7و10تری اکسا تری دکان، 4و9- دی اکسا- 1و12 دو دکان دی آمین و 1و8 دی آمینو- 3و6 دی اکسا اکتان هستند، استفاده شده است.همچنین در این پژوهش از دی انیدرید فتالیک 3و’3-4و’4 بنزوفنون تترا کربوکسیلیک دی انیدرید(BTDA) استفاده شده است. به منظور بررسی تاثیر افزودن این گروه های آلیفاتیک اتری به زنجیره، از ترکیب آنها با دی آمین آروماتیک 4و?4- دی آمینو دی فنیل اتر(ODA) استفاده شده است. بدین منظور از هر کدام این دی آمین های آلیفاتیک-اتری، به نسبت 20 به 80 به دی آمین ODA در زنجیره پلی ایمید سولفونه استفاده شده است. همچنین جهت مقایسه خواص پلی ایمید های سولفونه حاوی گروه های آلیفاتیک-اتری، یک نمونه کاملاً آروماتیک از ترکیب BTDA با ODA سنتز شده است. جهت انجام سولفوناسیون از روش پساسولفوناسیون استفاده شده است. در این روش ابتدا پلی آمیک اسید سنتز می شود و سپس با استفاده از اسیدسولفوریک غلیظ سولفوناسیون بر روی ساختار انجام می پذیرید. در مرحله پایانی نیز توسط روش ایمیدازیسیون گرمایی غشاء ریخته گری شده پخت می گردد. نتایج نشان داد که جذب آب نمونه کاملاً آروماتیک با نمونه حاوی 20 درصد دی آمین آلیفاتیک با گروه های اتری یکسان است و به میزان 4/5% است. جذب آب در غشاء های تهیه شده پایین تر از نفیون است. اما میزان مول های آب به ازای گروه های سولفونه(?) در نمونه های خالص بالاتر از نفیون است. میزان مقاومت هیدرولیزی در غشاء کاملا آروماتیک 48 ساعت و که در غشاء حاوی 20% گروه های آلیفاتیک به 60 ساعت افزایش یافته است. ظرفیت تبادل یون در غشاء کاملاً آروماتیک درحدود 379/0 اکی والان بر گرم است و در غشاء حاوی 20 درصد دی آمین خطی در حدود 119/0 می باشدکه این مقادیر پایین تر از میزان تبادل نفیون به میزان 89/0 می باشد. ویژگی بسیار مهم غشاء های تبادلگر پروتون، مقدار هدایت پروتون می باشد. هدایت پذیری پروتون غشاء های سنتز شده از مقدار 3- 10× 5/1زیمنس بر سانتی متر برای غشاء کاملاً اروماتیک به مقدار 3- 10× 2 برای غشاء حاوی گروه های آلیفاتیک، افزایش یافته است. این مقادیر از مقدار هدایت پذیری پروتون نفیون که 4- 10 است، بسیار بالاتر است. در مرحله دوم پژوهش، با افزودن نانو ذرات سیلیکا به بهترین نمونه تهیه شده به روش سل-ژل، تاثیر نانو ذرات بر خواص غشاء سنجیده شد. تصاویر میکروگرام تهیه شده جدایی فازی نواحی قطبی و غیر قطبی را به وضوح نشان می دهد. همچنین افزودن نانو ذرات سیلیکا موجب افزایش هدایت پذیری و کاهش ظرفیت تبادل یون نسبت به غشاء خالص و نفیون شده است. بطوری که ظرفیت تبادل یون در غشاء های حاوی 2، 4 و 8% نانوسیلیکا، به ترتیب316/0، 242/0 و 081/0 است و همچنین هدایت پذیری این غشاء ها به ترتیب 2- 10، 3- 10×2/2 و 2- 10×1/6 است. بالاتربن جذب آب مربوط به غشاء نانو کامپوزیتی حاوی 4% نانو سیلیکا است و مقدار جذب آب 11% رسیده است. در تمامی غشاء های نانو کامپوزیتی به غیر از 8% وزنی میزان جذب آب نسبت به نفیون بهبود یافته است. در کل افزودن نانو ذرات سیلیکا سبب افزایش جذب آب و ? در غشاء ها شده است. کلمات کلیدی: پلی ایمید سولفونه، پساسولفوناسیون، دی آمین آلیفاتیک-اتری، نانو کامپوزیت سیلیکا-پلی ایمید سولفونه، ایمیدازیسیون گرمایی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی