Σύνθεση και χαρακτηρισμός νανοσύνθετων πολυμερικών μεμβρανών για εφαρμογές σε κυψελίδες καυσίμου

• Main Author: Καλαμαράς, Ιωάννης
• Other Authors: Γρηγορίου, Βασίλης
• Language: gr
• Published: 2008
• Subjects: Νανοσύνθετα; Κελιά καυσίμου; 621.312 429; Nanocomposites; Fuel cells
• Online Access: http://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/handle/10889/1079

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής ήταν η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός νανοσύνθετων πολυμερικών μεμβρανών για την εφαρμογή τους σε κυψελίδες καυσίμου. Τα κελιά καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές διατάξεις που μετατρέπουν με συνεχή τρόπο τη χημική ενέργεια ενός καυσίμου και ενός οξειδωτικού σε ηλεκτρική με ταυτόχρονη παραγωγή νερού. Μια πολύ σημαντική κατηγορία κελίων, είναι τα κελιά καυσίμου μεμβράνης πολυμερούς (PEMFC, Polymer Exchange Membrane Fuel Cell) τα οποία χρησιμοποιούν ως ηλεκτρολύτη μια πολυμερική μεμβράνη. Ανάλογα με τη θερμοκρασία λειτουργίας τα PEMFCs χωρίζονται σε αυτά που λειτουργούν σε θερμοκρασίες μέχρι 80ºC και στα υψηλής θερμοκρασίας που λειτουργούν στους 120-200ºC. Λειτουργία σε θερμοκρασίες πάνω από 100ºC έχει διάφορα πλεονεκτήματα, όπως αύξηση της κινητικής των αντιδράσεων, δυνατότητα χρησιμοποίησης άλλων καυσίμων εκτός από υδρογόνο, η χρήση όχι υψηλής καθαρότητας υδρογόνου και/ή χαμηλότερης ποσότητας του ακριβού καταλύτη Pt στα ηλεκτρόδια. Ένας από τους ηλεκτρολύτες για εφαρμογές σε PEMFC υψηλών θερμοκρασιών είναι το συμπολυμερές αρωματικού πολυαιθέρα με ομάδες πυριδίνης Advent TPS. Το συμπολυμερές Advent TPS έχει εξαιρετική ικανότητα σχηματισμού φιλμ, υψηλό Tg (>280ºC), υψηλή θερμική σταθερότητα (Τd>400ºC), υψηλή οξειδωτική σταθερότητα, ενώ μετά από εμποτισμό με Η3ΡΟ4 85% η ιοντική αγωγιμότητα είναι επίσης της τάξης του 10-2 S/cm. Στη παρούσα εργασία παρασκευάστηκαν νανοσύνθετες μεμβράνες, με την εισαγωγή υδρόφιλων, ανοργάνων προσθέτων στην υδρόφοβη πολυμερική μήτρα του Advent TPS με απώτερο σκοπό τη παρασκευή ενός νανοσύνθετου πολυμερικού ηλεκτρολύτη ο οποίος έχει την ικανότητα να εμποτίζεται με νερό βελτιώνοντας έτσι την αγωγιμότητα του συστήματος TPS/H3PO4.Τα ανόργανα εγκλείσματα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν ο τροποποιημένος μοντμοριλλονίτης (H+-MMT), το οξείδιο του τιτανίου (ΤiΟ2) και το TiO2-P2O5. Οι νανοσύνθετες μεμβράνες εμφάνισαν ικανότητα εμποτισμού στο Η2Ο, οξειδωτική σταθερότητα και η ιοντική τους αγωγιμότητα ύστερα από τον εμποτισμό τους με Η3ΡΟ4 πλησίασε τη τιμή του Advent TPS. Επιπλέον στη περίπτωση των μεμβρανών με τον Η+-ΜΜΤ το H3PO4 συγκρατείται ισχυρότερα στη μεμβράνη, λόγω της μορφολογίας του ΜΜΤ, μειώνοντας έτσι το πρόβλημα διάχυσης του H3PO4 από τον ηλεκτρολύτη κατά τη διαδικασία της ψύξης του κελιού. === The objective of this thesis was the synthesis and characterization of nanocomposite membranes for use in fuel cells. Fuel cells are devices that convert the chemical energy of a fuel and an oxidant to electrical with simultaneous production of water. Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) represents an important class of fuel cells, which uses a polymer membrane as its electrolyte. Operating above 150ºC has many advantages such as increased reaction rate, flexibility to use not so pure hydrogen as fuel and/or lower loading of the expensive metal (Pt) on the electrode. Advent TPS is an electrolyte for high temperature PEMFC that exhibits excellent film-forming properties, mechanical integrity, high glass transition temperature (2800C) as well as high thermal stability up to 4000 C. In addition to the above properties, Advent TPS shows high oxidative stability and acid doping ability, enabling proton conductivity in the range of 10-2 S/cm. The main goal of this thesis was to synthesize a nanocomposite electrolyte by adding inorganic, hydrophilic fillers in Advent TPS polymer matrix in order to fabricate a membrane that reveals ability to absorb water. The hydration of electrolyte can increase the proton conductivity. Inorganic fillers such as modified montmorillonite (H+-MMT), TiO2, TiO2-P2O5 were used. The nanocomposite membranes showed doping water ability, oxidative stability and proton conductivity in the range of 10-2 S/cm. Furthermore, the nanocomposite membranes with H+-MMT can retain the acid into the membrane, reducing the leaching problem during the cooling process of the cell. Finally the hybrid membranes were characterized with conventional techniques and showed thermal and mechanical stability.