Date of Award

11-2020

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Chemical Engineering (MSChE)

Department

Chemical and Petroleum Engineering

First Advisor

Abdulrahman Yaqoub Alraeesi

Second Advisor

A.S. Mohammad Sayem Mozumder

Third Advisor

Amani Al Othman

Abstract

The dependence on fossil fuels can be possibly reduced by the utilization of renewable energy sources. Fuel cells offer a promising alternative for renewable power generation. Among the various types of fuel cells, Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) is recently attracting attention due to its several advantages of high-power density, all solid structure, and silent operation. The diverse types of materials used in this type of fuel cell raised drawbacks related to fuel cell cost and durability. By far, Nafion of DuPont is still the current state-of-the-art membrane for PEMFCs. It is known for its high ionic conductivity and stability at low temperatures (i.e. ≤ 80℃) and fully humidified conditions. However, the membrane loses its conductivity and stability at higher temperatures. Higher temperature operation is preferred in PEMFCs as it enhances reaction kinetics, eliminates water accumulation at the cathode, and improves the catalysts’ tolerance for less pure fuels. Hence, intensive research efforts are triggered to search for Nafion alternatives that can provide an effective and comparable performance to that of Nafion’s at high-temperature operations and anhydrous conditions.

This work aims at synthesizing Nafion-free composite membranes based on a combination of Calcium Phosphate (CP), Ionic Liquids (ILs), and Glycerol (GLY) supported on polytetrafluoroethylene (PTFE) and have relatively high proton conductivity and good characteristics compared to literature. The membranes were synthesized by the spin coating technique and involved the formation of CP/IL particles within the pores of PTFE. The synthesized membranes were evaluated for their proton conductivities, morphology, structure, and thermal stability using different characterization techniques. Four ILs were investigated in this work. Among the four ionic liquids incorporated in the synthesis of the membranes, the “1-Hexyl-3- methylimidazolium tricyanomethane [HMIM][C4N3-]”, and the “Diethylmethylammonium Methanesulfonate [DMEA][OMS]” ionic liquids showed an improved proton conductivity at room temperature (i.e. 10-1 and 10-2 S cm-1, respectively) as well as a high proton conductivity at 200℃ and under completely anhydrous conditions in the order of 10-3 and 10-4 S cm-1, respectively. The improvement in proton conductivity of the current Nafion-free synthesized membranes can be possibly explained by the ability of CP, ILs, and GLY to form proton conduction paths within the membrane structure. The XRD and FTIR results explained the enhancement in proton conductivity by the presence of water molecules and intercalation of IL. Also, SEM and EDS results confirmed the change in membranes structure as well as the formation of CP within the membrane's pores, which are consistent with the conductivity enhancement. The findings in this thesis work are promising for potential high temperature and reasonable performing membranes in PEMFC. They also provide a lower cost membrane that would potentially decrease the cost of membranes, hence, decrease the capital cost of fuel cells stacks in general.

Comments

إن الجهود المبذولة لتقليل اعتماد العالم على الوقود الأحفوري كمصدر أساسي للطاقة يمكن أن تثمن من خلال استخدام مصادر الطاقة المتجددة. تعتبر خلايا الوقود إحدى هذه المصادر الواعدة لتوليد الطاقة المتجددة. يوجد عدة أنواع رئيسية لخلايا الوقود أهمها هي خلية وقود غشاء التبادل البروتوني ( Proton Exchange Membrane Fuel Cell ) و التي جذبت الاهتمام بشكل كبير نظراً لمزاياها المتعددة المتمثلة في كثافة الطاقة العالية ( high power density ) وهيكلها الصلب بالإضافة إلى آلية عملها الشبه خالية من الضوضاء. ولكن يواجه التطبيق الفعلي لهذا النوع من خلايا الوقود عدة تحديات مرتبطة بشكل كبير بتكلفة ومتانة المواد الداخلة في تصنيعها وخاصة المواد المستخدمة في تحضير غشاء التبادل البروتيني. إلى الآن لم يتم توليف غشاء تبادل بروتيني يضاهي كفاءة غشاء "النافيون " ( Nafion ) المصنع من قبل شركة "دوبونت "DuPont- والذي يتميز بموصلية أيونية عالية واستقرار هيكلي عند درجات حرارة منخفضة )أقل من 80 درجة مئوية ) و الظروف الرطبة. و على الرغم من ذلك، فإن النافيون يبدأ بفقدان جميع مميزاته عند درجات حرارة أعلى من 80 درجة مئوية. وهذا ما يعد معضلة بحد ذاتها، حيث أن تشغيل خلية وقود غشاء التبادل البروتيني عند درجات حرارة أعلى من 80 درجة مئوية له مميزات هامة متمثلة بتعزيز حركية التفاعل الكيميائي ( reaction kinetics ) ، وتجنب تراكم المياه عند قطب الكاثود هذا بالإضافة إلى امكانية استخدام أنواع متعددة من الوقود في الخلية.

و من هذا المنطلق، تهدف هذه الأطروحة إلى توليف غشاء تبادل بروتيني من فوسفات الكالسيوم و السوائل الأيونية و الجليسرين ومثبت علىركيزة بولي تترافلورو إيثيلين، بحيث يكون بديلاً محتملاً للنافيون. في هذا العمل، تم تحضير أغشية التبادل البروتيني باستخدام تقنية "الطلاء " الدورا ( Spin Coating ) . وتمت دراسة خصائص الأغشية المحضرة من حيث الموصلية الأيونية، خصائص السطح و الاستقرار الحراري. من إجمالي أربع سوائل أيونية مستخدمة في هذه الأطروحة، أظهرت الأغشية المحضرة باستخدام السوائل الأيونية – 3 - “1-Hexyl ],” [HMIM][C4N3 methylimidazolium tricyanomethane و [DMEA][OMS]” “Diethylmethylammonium Methanesulfonate" تحسنا ملحوظا في الموصلية الأيونية عند درجة حرارة الغرفة بحيث كانت الموصلية ¹ˉ 10 و ²ˉ 10 S ¹ˉ cm على التوالي. هذا بالإضافة أنه عند درجة حرارة عالية ( 200 درجة مئوية( وظروف جافة تماما،ً بلغت الموصلية الأيونية للاغشية المحضرة بالسوائل الأيونية المذكورة أعلاه ³ˉ 10 و ˉ 10 ⁴ ¹ ˉ S cm على التوالي. يمكن تفسير هذه النتائج من خلال قدرة كل من فوسفات الكالسيوم و السوائل الأيونية و الجليسرين من توفير ممرات بروتينية في الأغشية المحضرة مما أدى إلى تحسين الموصلية الأيونية لها. تم تدعيم هذه النتائج عن طريق استخدام عدد من طرق التوصيف المختلفة ( Characterization ) مثل الـ XRD و FTIR و SEM و EDS والتي أثبتت ما تم ذكره سابق ا.ً تبدو هذه النتائج واعدة كبديل محتمل للنافيون وخاصة عند درجات الحرارة العالية لخلايا وقود غشاء التبادل البروتيني مما قد يعمل على خفض التكلفة السوقية لها.

Download
COinS