مطالعه اثر عوامل واكنش بر روي پايداري ذرات SiO2 دوپه شده در غشا پليمري نفيان براي كاربرد در پيل هاي سوختي پليمري دما بالا

The Role of Reaction Parameter on Leaching of SiO2 Doped Nafion Membrane for Use in High Temperature PEM Fuel Cells

در اين تحقيق، غشا نفيان 117 با ذرات SiO2 توسط روش سل - ژل دوپه شده است. از آنجايكه پديده حل شدن ذرات دوپه شده از اهميت زيادي در كاربردهاي پيل سوختي پليمري دارد، لذا شرايط واكنش براي ايجاد ذرات پايدارتر در زمينه غشا از طريق طراحي آزمايش عاملي كامل (full factorial)، بهينه شده است. نتايج طراحي آزمايش نشان مي دهد كه شرايط بهينه واكنش كه در آن كمترين ميزان شسته شدن ذرات دوپه شده را داريم، دماي ?C60، بدون اضافه كردن اسيد و همراه با متورم سازي مي باشد. بعد از بدست آوردن شرايط مطلوب واكنش، بقيه غشاها در آن شرايط تهيه شده و از نظر جذب آب و ظرفيت تبادل پروتوني مورد مقايسه قرار گرفته اند. علاوه بر آن دماي انتقال شيشه اي نمونه ها توسط آناليز DSC اندازه گيري شده و در نهايت به منظور بررسي عملكرد، غشاها در مجموعه آزمايشگاهي پيل سوختي پليمري مورد ارزيابي قرار گرفته اند. ميزان جذب آب نمونه هاي كامپوزيتي در درصدهاي كم مقدار دوپه شده، بالاتر از مقدار آن براي نفيان اصلاح نشده مي باشد. مقدار جذب آب در درصد بهينه دوپه شدن ذرات ) SiO2 7 درصد وزني ( برابر 44 درصد بدست آمده كه 26 درصد بيشتر از مقدار آن براي نفيان اصلاح نشده است. ظرفيت تبادل پروتوني غشاها نيز با افزودن SiO2 افزايش پيدا كرده است. نتايج اندازه گيري دماي انتقال شيشه اي نشان مي دهد كه وارد كردن ذرات معدني به زمينه غشا ، پايداري حرارتي آن را براي كاركرد در دماهاي بالا افزايش مي دهد. نتايج بررسي عملكرد غشاها در مجموعه پيل سوختي پليمري در دو دماي ?C70 و ?C110 نشان مي دهد كه افزودن ذرات SiO2 براي كاركرد در دماهاي بالاتر بسيار مثمر ثمر بوده است. بطوريكه در دماي C°110منحني پلاريزاسيون غشا كامپوزيتي با 7 درصد وزني همواره بالاتر از نفيان قرار داشته و بطور نمونه در چگالي جريان mA/cm2 200 شاهد بهبود عملكرد دو برابري در ولتاژ پيل هستيم.

The Nafion 117 membrane was doped with SiO2 particles by sol-gel reaction. The reaction conditions to minimize leaching were investigated by using full factorial design of experiment. The results from the full factorial analysis indicated that the lowest amount of leaching takes place at 60oC without addition of acid and swelling of membranes prior to the reaction. The membranes, prepared at optimum reaction conditions, were characterized using differential scanning calorimetry (DSC), and for water uptake, ion exchange capacity, and cell performance. The water uptake of Nafion/SiO2 membrane with 7% of doping level increased up to 44% that is 26% higher than that of the pure Nafion membrane. The same trend was obtained for proton exchange capacity. DSC Measurements for modified samples showed an increase in Tg as compared to unmodified sample. Fuel cell test was carried out at 70oC and 110oC. At 110oC the modified membrane with 7 wt% of SiO2 showed improved fuel cell performance compared to the pure Nafion. For instance, at 200 mA/cm2 the voltage gained by composite membrane was twice higher than that of the pure Nafion.