مشخصات

عنوان: تهیه و بررسی غشاهای پلیمری دمای بالا، بر پایه منومرهای فسفونه جدید

گروه تخصصی:  علوم پایه

سازمان مجری:  واحد تربیت معلم 

گروه پژوهشی: علوم و تکنولوژی غشا

پژوهشگران: 
ابوذری لطف ابراهیم (مسئول طرح)
مهدی پورعطایی شهرام (همکار طرح)
جوادی علی (همکار طرح)
ذاکری معصومه (همکار طرح)
عباس تبار حسین (همکار طرح)
شکروی عباس (همکار طرح)

تاریخ خاتمه:  تابستان 1390

کارفرما: 

خروجی طرح: 
 
تلفن: 7-88831976-88302524-88309292-021

نشانی سازمان مجری: تهران، خیابان شهید مفتح، شماره 49، صندوق پستی: 186- 15615
 

چکیده:

یکی از اساسی ترین چالش ها در پیشبرد تکنولوژی پیل سوختی با غشا الکترولیت پلیمری، تهیه غشاهای پلیمری بادوام است که به پیل سوختی توانایی عملکرد در دمای بالا را بدون احتیاج به رطوبت بالا می دهند. دستیابی به این غشاها یک مزیت بسیار مهم است که پیچیدگی، قیمت و کارایی پیل سوختی را تا حدود زیادی تحت تاثیر قرار می دهد. عدم کارایی غشاهای پلیمری روزمره در دماهای بالا، که بر پایه پلیمرهای آلیفاتیک و یا آروماتیک با گروه های سولفونیک اسید هستند (نفیون ها پلیمرهای تجاری این گروه هستند)، تلاش ها را به سمت جایگزینی این گروه اسیدی در زنجیره پلیمری با گروه های دیگر نموده است. غشاهای پلیمری با گروه های فسفونیک اسید در ساختار، پتانسیل بالاتری نسبت به آنالوگ های سولفونیک اسیدی خود در دمای بالا دارند.
پیوند هیدروژنی و خواص آمفوتری گروه های فسفونیک اسید منجر به هدایت بهتر پروتون در غشاهای فسفونه در شرایط با رطوبت پایین و تحت نفوذ ساختاری می شود. علاوه بر این به دلیل پایداری حرارتی بالای پیوند کوالانسی کربن- فسفر
(C-P) این پلیمرها توانایی استفاده در دماهای بالا را دارند. با توجه به ویژگی های مثبت در گروه های فسفونیک اسید و پتانسیل مناسب به عنوان غشاهای دمای بالا در پیل های سوختی، تلاش های فراوانی برای طراحی و ساخت غشاهای مناسب در سال های اخیر صورت گرفته است. هر چند به دلیل محدودیت های سنتزی نتایج بسیار اندکی از ساختارهای آروماتیک و پایدار گزارش شده است.
در این پژوهش، هدف سنتز غشا پایدار حرارتی با گروه های فسفونیک اسید در یک زنجیره کاملا آروماتیک است. برای رسیدن به این هدف، روش های متفاوتی مورد استفاده قرار گرفته که روش های سنتزی، محدودیت ها و ویژگی هر یک به تفسیر در گزارش آمده است. پس از بررسی گزینه های موجود طراحی و تهیه سیستم پلی ایمید دارای گروه های فسفونه انتخاب شد. پلی ایمیدها از لحاظ ساختاری از پایدارترین پلیمرهای مقاوم حرارتی هستند و عموما در شرایط غشا کارایی مناسبی دارند. طی چند مرحله سنتزی دی آمین مورد نظر با گروه های فسفونیک اسید و یا استر سنتز شد و واکنش پلیمریزاسیون با دی انیدریدهای تجاری منجر به سنتز پلیمرهای فسفونه گردید
.
پلیمرهای نهایی با ویسکوزیته های تا
0.83 و با راندمان بالا سنتز شدند. آنالیز پایداری حرارتی پلیمرهای دارای گروههای فسفونیک اسید نشانگر T10%بالاتر از 427oC است. غشاهای با ظرفیت انتقال یون بین 4-6meq/g هدایت پروتونی 73mS/cm را در دمای محیط و 100% اشباع نشان می دهند. داده ها نشانگر آنست که در شرایط بدون آب و پس از دوپه کردن با فسفریک اسید در دمای 100oC این هدایت به بیشینه 150mS/cm می رسد.



کلیدواژگان: پیل سوختی، غشاهای هدایت کننده پروتون، غشاهای دمای بالا، هدایت پروتون، یونومرهای فسفونه

 
 
Title: Preparation and Characterization of High Temperature Polymers for Fuel Cell Membranes Based on Novel Phosphonated Monomers

Abstract:

One of the basic challenges in advancing polymer electrolyte membrane fuel cell technology (PEMFC) is the development of new durable polymeric membranes that will allow fuel cell operation at high temperatures without extensive humidification requirements. Access to these membranes promises important benefits concerning the complexity, cost and performance of the fuel cell system. Problems of the common PEM based on the aliphatic and/or aromatic backbone with soulfonic acid groups (Nafions are commercially ones) in higher temperatures, encouraged scientist to find the appropriate acidic. In this context, membranes functionalized with covalently linked phosphonic acid may potentially show some crucial advantages in relation to the commonly employed sulfonated membranes. Because of the hydrogen bonding and amphoteric properties of the phosphonic acids, the former membranes may transport protons through structure diffusion under low-humidity conditions. Furthermore, phosphonated polymers generally show a high thermal stability due to the strength of the carbon–phosphorus bond, which is especially critical under high-temperature operation. With regards to these benefits, there are many researches on developing phosphonated PEM in the recent years with considering structural and synthetic problems. But there are a few examples from aromatic phosphonated PEM mainly because of synthetic difficulties.
In this research project our aim is to prepare new thermally stable aromatic backbone with phosphonic acid groups directly linked to the backbone. We used different synthetic routes with considering their limitation. Finally we prepared novel thermally stable phosphonated polyimides based on new diamines. The high molecular weight polymers in phosphonic ester form were obtained in high yields and inherent viscosities up to 0.83 dL g-1. The hydrolysis of the phosphonated ester into phosphonic acid groups was carried out quantitatively in acidic condition. All polymers after hydrolysis were studied by TGA and showed 10% weight loss above 427oC. Membranes with total ion-exchange capacities of 4-6 meq/g showed proton conductivities around 73 mS/cm at 25oC and 100% relative humidity and it reach to almost 110 mS/cm at 100oC. Upon doping with phosphoric acid, the membrane conductivity without external humidification reached 150 mS/cm at 100oC.



Keyword(s): Fuel Cell, Proton Exchange Membranes, Phosphonated Ionomers, Proton Conductivity