PBI som alternativ til Nafion for bruk i PEM brenselceller
Bachelor thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3133170Utgivelsesdato
2024Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for kjemi [1386]
Sammendrag
I dag er det vanlig å bruke Nafion som membranmateriale i proton-utvekslingsmembran (PEM) brenselceller. Det er ønskelig å finne membraner som kan brukes ved temperaturer over 100 °C fordi dette gir bedre kinetikk, øker toleransen overfor urenheter og bidrar til å forenkle designet og kostnaden til brenselcellen. Dette kommer av at vannopptakssystemet blir forenkelt. Høyere temperaturer enn 80 °C fører til at Nafion blir dehydrert og opplever stor grad av degradering. I tillegg er Nafion en fluorforbindelse som er både miljø- og helseskadelig. Derfor er det viktig å finne alternative membraner som ikke er miljø- og helseskadelige og som kan brukes ved en høyere temperatur enn 80 °C. I dette arbeidet har vi sett nærmere på polybenzimidazol (PBI) som er en lovende kandidat til å erstatte Nafion i PEM-brenseceller. PBI er en ikke-perfluorert polymer som kan brukes som PEM i en brenselcelle over 100 °C. Doping av PBI med fosforsyre som ligger mellom 3,5 og 7,5 mol per repeterende PBI-enhet gir en god balanse mellom mekanisk styrke og protonkonduktivitet i membranen. Det elektroosmotisk-drag tallet for fosforsyredopet PBI er tilnærmet lik null, noe som betyr at protonkonduktiviteten ikke er avhengig av vann. Sammenlignet med Nafion som har et elektroosmotisk-drag tall på 0,6.2 så vil dette forenkle celledesignet betraktelig. I tillegg viser fosforsyredopet PBI god termisk stabilitet og den er opptil 70 ganger mer motstandsdyktig overfor svovelforgifting enn Nafion. CO toleransen går opp med en verdi på 10 ppm til 1000 ppm sammenlignet med Nafion. Større motstandsdyktighet overfor urenheter fører til at det ikke trengs like ren hydrogengass som ved bruk av Nafion. Dette betyr at hydrogengass som har blitt produsert ved hjelp av dampreforming av naturgass, delvis oksidasjon av hydrokarboner eller gassifisering av kull kan brukes direkte. Today it is common to use Nafion as the membran material in proton exchange membrane (PEM) fuel cells. It is desirable to find membranes that can be used at temperatures above 100 °C because this provides better kinetics, increase toleranse to impurities and contributes to simplyfing the design and cost of the fuel cell, because it simplifies the water-management system. Higher temperatures than 80 °C causes Nafion to become dehydrated and experience a large degree of degradation. In addition Nafion is a fluorine compund that is harmful to both health and environment. It is therefore important to find an alternative membrane that is not harmful to health and environment and one that can be used above 80 °C. In this work, we have taken a closer look at polybenzimidazole (PBI), which is a promising candidate to replace Nafion in PEM fuel cells. PBI is a non-perfluorinated polymer that can be used as PEM in a fuel cell that can operate above 100 °C. A good balance between mechanical strength and proton conductivity can be acheived by doping PBI with phosphoric acid that lies between 3,5 and 7,5 mole per repeating unit of PBI. The electroosmotic-drag coefficient for phosphoric acid doped PBI is approximately equal to zero, which means that the proton conductivity is independent of water. Compared to Nafion, which has a electroosmotic-drag coeffisient of 0,6-2, this will simplify the cell design considerably. In addition phosphoric acid doped PBI shows good thermal stability and it is up to 70 times more resistant against the sulfur poisoning than Nafion. The CO tolerance goes up from 10 ppm up to 1000 ppm compared with Nafion. Higher resistance against impurities means that the hydrogen does not need to be pure, which is the case when Nafion is used. This means that hydrogen gas that has been produced through steam reforming of natural gas, partial oxidation of hydrocarbons or gasification of coal can be used without further purification.