غشاهای نانوکومپوزینی رسانای پروتون جدید مبتنی بر پلی وینیل الکل/پلی وینیل پیرولیدون/ BaZrO3
چکیده
در این مقاله، برای اولین بار از نانوذرات BaZrO3 به عنوان اکسید آهن ترکیبی با تهیۀ سایت های قوی اسید و ماهیت خوب هیدروفیلی برای آماده سازی غشاهای تبادل پروتون عالی-غیرآلی استفاده شد. غشای نانوکومپوزیتی پلی(وینیل الکل)- BaZrO3 (PB) و پلی وینیل (وینیل الکل)/پلی (وینیل پیرولیدون- BaZrO3(PPB) تهیه شد. غشای نانوکومپوزیتی PPB حاوی 1 wt.% نانوذرات BaZrO3 رسانندگی بالای پروتون (6.01 × 10−2 S/cm) را در دمای 70 °C نشان داد. بیشترین پیک چگالی قدرت 28.98mW/cm2 در Ep,max 0.14 V با چگالی پیک جریان (ip,max) 201 mA/cm2 برای PEMFC بدست آمد که شامل غشاهای نانوکومپوزیتی PPB در دمای 70 °C بود.
1. مقدمه
پیل های سوخت غشای تبادل پروتون (PEMFC) معمولا به عنوان منابع قدرت مرسوم جذاب به دلیل کارایی بالا و عدم آلودگی مورد قبول بوده است. یونومرهای پرفلوروسولفونات مثل نفیون به دلیل پایداری شیمیایی و گرمایی، قدرت خوب مکانیکی و رسانندگی بالای پروتون از پیشرفته ترین غشاهای تجاری موجود برای PEMFCها محسوب می شوند. بااینحال، کاربردهای غشای نفیون در PEMFCها از لحاظ فعالیت در دمای زیر 80 °C، و به خاطر هزینۀ بالا و مسئلۀ مکانیکی همچنان با محدودیت مواجه است. از اینرو، تهیۀ غشاهای کمپوسیت کم هزینه و با رسانندگی بالای پروتون برای جایگزینی با غشای نفیون تجاری از چالش های همیشگی در پژوهش ها بوده است. پلی(ونیل الکل)، PVA ، یک پلیمر بسیار آبدوست، غیرسمی و کم هزینه با خاصیت عالی در تشکیل فیلم می باشد. فیلم های PVA از پایداری مکانیکی و شیمیایی خوب پتانسیل بالای اتصال عرضی شیمیایی برخوردارند. این ویژگی های PVA با مورد توجه محققان قرار گیرد. اما رسانندگی پایین پروتون و تورم بالای غشای PVA باعث محدودیت کاربرد آن درPEMFC می شود.
Abstract
In this study for the first time, BaZrO3 nanoparticles as mixed metal oxides, with provision of strong acid sites and good hydrophilic nature were used for the preparation of organic–inorganic proton exchange membranes. Poly(vinyl alcohol)–BaZrO3 (PB) and poly(vinyl alcohol)/poly(vinyl pyrrolidone)–BaZrO3 (PPB) nanocomposite membranes have been prepared. PPB nanocomposite membranes containing 1 wt.% of BaZrO3 nanoparticles demonstrated high proton conductivity (6.01 × 10− 2 S/cm) at 70 °C. The highest peak power density of 28.98 mW/cm2 at Ep,max of 0.14 V with a peak current density (ip,max) of 201 mA/cm2 was achieved for the PEMFC which included PPB nanocomposite membranes at 70 °C.
1. Introduction
Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are generally accepted as attractive conventional power sources, due to their high efficiency and lack of pollution [1,2]. Perfluorosulfonated ionomers, such as Nafion, are one of the most advanced commercially available membranes for PEMFCs because of their excellent chemical and thermal stability, good mechanical strength and high proton conductivity [3]. However, Nafion membrane applications in PEMFCs are still limited by operation at temperatures below 80 °C, high cost and methanol crossover [4]. Therefore, preparation of composite membranes with low cost and high proton conductivity to replace commercial Nafion membrane has been the challenge of continuous researches. Poly(vinyl alcohol), PVA, is highly hydrophilic, nontoxic and low cost polymer with excellent film forming property. PVA films have good chemical and mechanical stabilities and high potential for chemical crosslinking [5,6]. These properties of PVA must be considered by researchers, but low proton conductivity and high swelling (even dissoluble in water at higher temperature) of PVA membrane limit its application in PEMFCs [7].
مقدمه
شیوۀ آزمایشی
مواد
سنتز نانوذرات BaZrO3
اماده سازی غشا
جذب آب و دوام اکسایشی غشاها
اندازه گیری جذب آب نانوذرات
اندازه گیری رسانندگی پروتون
طیف FT-IR ATR
اندازه گیری SEM و EDX
ویژگی های گرمایی و مکانیکی
آزمایشات پیل سوختی و MEA
نتایج و بحث
اندازه گیری رسانندگی پروتون و جذب آب
دوام اکسایشی
طیف FT-IR ATR
خواص گرمایی
ویژگی های مکانیکی
عملکرد پیل سوختی
آزمون حیات MEA
نتیجه گیری
Abstract
Keywords
1. Introduction
2. Experimental
2.1. Materials
2.2. Synthesis of BaZrO3 nanoparticles
2.3. Preparation of membranes
2.4. Water uptake and oxidative durability of membranes
2.5. Water uptake measurements of nanoparticles
2.6. Proton conductivity measurements
2.7. FT-IR ATR spectra
2.8. SEM and EDX measurements
2.9. Thermal and mechanical properties
2.10. MEA and fuel cell tests
3. Results and discussion
3.1. Water uptake and proton conductivity measurements
3.2. Oxidative durability
3.3. FT-IR ATR spectra
3.4. Thermal properties
3.5. Mechanical properties
3.6. Fuel cell performance
3.7. MEA life test
4. Conclusion
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه