A test system for the performance analysis of a novel thermally regenerative fuel cell (TRFC) using propiophenone and hydrogen as the oxidant and fuel respectively was designed and built. The test system is capable of either hydrogen-air or hydrogen-propiophenone operation. Membrane electrode assemblies (MEAs) were made using commercial phosphoric acid-doped polybenzimidazole (PBI) membranes and commercial electrodes. Using Pt/carbon paper electrodes with a catalyst loading of 1mg/cm2 and a membrane with an acid doping level of 10.2 mol acid/mol of polymer repeat unit, a maximum performance of 212 mW/cm2 at a current density of 575 mA/cm2 was achieved for baseline hydrogen-air testing at 110°C. Problems were encountered, however, in achieving consistent, reproducible performance for in-house fabricated MEAs. Furthermore, ex-situ electrochemical impedance spectrometry (EIS) showed that the phosphoric acid-doped PBI was unstable in the propiophenone and that acid-leaching was occurring. In order to have MEAs with consistent characteristics for verifying the test system performance, commercial phosphoric acid-doped PBI membrane electrode assemblies were used. At a temperature of 160°C and atmospheric pressure with hydrogen and air flowrates of 150 mL/min and 900 mL/min respectively a maximum power density of 387 mW/cm2 at a current density of 1.1 A/cm2 was achieved. This performance was consistent with the manufacturer’s specifications and these MEAs were subsequently used to verify the performance of TRFC test system despite the EIS results that indicated that acid-leaching would probably occur. The Pt catalyzed commercial MEAs achieved very limited performance for the hydrogenation of the ketone. However, the performance was less than but comparable to similar results previously reported in the literature by Chaurasia et al. [1]. For pure Pt catalyst loading of 1 mg/cm2, using a commercial PBI MEA operating at 160°C and atmospheric pressure, the maximum power density was 40 µW/cm2 at a current density of 1.3 mA/cm2. A 16 hour test was conducted for these conditions with a constant 1 ohm load, successfully demonstrating the operation of the test system. The test system will be used in the development of better catalysts for ketone hydrogenation. / Thesis (Master, Chemical Engineering) -- Queen's University, 2012-10-12 10:00:58.854

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 κελιών είναι είναι τα κελιά καυσίμου πολυμερικής μεβράνης.Λειτουργία σε θερμοκρασίες πάνω από 100ºC έχει διάφορα πλεονεκτήματα.Ένας ιδανικός πολυμερικός ηλεκτρολύτης θα πρέπει να είναι ανθεκτικός, να έχει καλές μηχανικές ιδιότητες, υψηλή θερμική και οξειδωτική σταθερότητα και υψηλή ιοντική αγωγιμότητα, η οποία εξαρτάται από την ικανότητά του να εμποτίζεται με κάποιο μέσο όπως ένα ισχυρό οξύ, π.χ. το φωσφορικό οξύ. Το πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής αφορά τη σύνθεση αρωματικών πολυαιθέρων που φέρουν πολικές ομάδες πυριδίνης στη κύρια αλυσίδα, μαζί με πλευρικές σουλφονομάδες με στόχο τη δημιουργία μιας μεμβράνης που θα είναι ικανή να απορροφά φωσφορικό οξύ αλλά και νερό.Το οξύ θα διασφαλίσει υψηλές τιμές ιοντικής αγωγιμότητας ενώ η παρουσία νερού θα αυξήσει την ιοντική αγωγιμότητα.Επιπλέον παρασκευάστηκαν σύνθετες μεμβράνες, με την εισαγωγή ανόργανων εγκλεισμάτων(τροποποιημένος με όξινες σουλφονικές ομάδες μοντμοριλλονίτης (SO3-MMT) στην υδρόφοβη πολυμερική μήτρα του TPS®. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκαν θερμικά διασυνδεδεμένοι πολυμερικοί ηλεκτρολύτες. Συντέθηκαν 3 νέα μονομερή και συμπολυμερή με πλευρικές ομάδες στυρολίου στη κύρια αλυσίδα.Η θερμική κατεργασία των συμπολυμερών σε υψηλή θερμοκρασία οδήγησε σε διασύνδεση της δομής χωρίς τη χρήση θερμικών εκκινητών. Ακολούθησε πλήρης χαρακτηρισμός των ιδιοτήτων όλων των νέων δομών. Τέλος, έλαβε χώρα εφαρμογή και μελέτη της απόδοσης σε μοναδιαία κυψελίδα καυσίμου. / 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.Operating above 150ºC has many advantages. The ideal polymer electrolyte should exhibit long term durability, good mechanical properties, high thermal/chemical and oxidative stability and high ionic conductivity which depends on the ability to be doped with a strong acid. In the first part of this thesis aromatic copolymers bearing in the main chain basic pyridine groups combined with side chain acidic sulfonate groups were synthesized, making them capable of absorbing phosphoric acid and water. The phosphoric acid will ensure high proton conductivities while presence of water will further improve the performance of the cell. Furthermore composite membranes were prepared by adding inorganic fillers( functionalized montmorrilonite with sulfonic groups, SO3-MMT)in TPS® polymer matrix. In the second part of this thesis thermal cross- linked polymer electrolytes were developed for their use in high temperature PEMFC.Three new monomers and a series of copolymers in high temperature led to crosslinking without using thermal initiators.These properties of all the new structures were fully characterized with conventional techniques. thermal cross-linked copolymers were .chosen for the membrane electrode assembly (MEA) preparation for a preliminary study of the performance of the cell in high temperatures.