در تحقیقات پژوهشگر ایرانی دانشگاه فناوری نروژ محقق شد

گامی تازه در طراحی بهینه پیل‌های سوختی

دانشجوی ایرانی دکتری دانشگاه علوم و تکنولوژی نروژ در تحقیقات رساله‌اش با بررسی اثر ضخامت لایه کاتالیستی بر عملکرد و دوام پیل سوختی پلیمری، گامی تازه در طراحی بهینه لایه کاتالیستی در پیل‌های سوختی پلیمری برداشت.

کد خبر: ۱۱۹۳۹۵۳

تاریخ: ۱۸ خرداد ۱۳۹۴ - ۱۴:۰۶

به گزارش خبرگزاری داناف دکتر مهدی داراب، برگزیده نخستین دوره انتخاب پایان‌نامه‌های برتر پیل سوختی کشور که همزمان با سومین کنفرانس ملی هیدروژن و پیل سوختی معرفی و تقدیر شد  گفت: عنوان پایان نامه دکتری من که نتایج آن در قالب 12 مقاله علمی نیز ارائه شده است Dispersion, Performance and Durability of Pt Nanoparticles on Carbon for PEM Fuel Cell Catalysis (توزیع، عملکرد و دوام نانوذرات پلاتین بر روی کربن برای پیل‌های سوختی پلیمری) است که در دانشگاه علوم و تکنولوژی نروژ (NTNU) با راهنمایی پروفسور اسوین سونده انجام شده است.

در این تحقیق برای اولین بار، اثر معماری نانوکاتالیست و نوع توزیع نانوذرات پلاتین روی پایه کربنی بر روی عملکرد کاتالیستی و دوام پیل‌سوختی بررسی شده است.

وی خاطرنشان کرد: ساختار قرارگیری نانوذرات پلاتین روی پایه کربنی می‌تواند تک‌ذره، ‌ذره-توده یا فیلمی باشد. ساختارهای تک‌ذره و ذره-توده معمولا بر روی پایه‌های کربن سیاه با سطح بالا (مثلا وولکان ) و ساختارهای فیلمی غالبا بر روی نانوفیبرهای کربنی توسعه پیدا می‌کنند.

در پژوهش انجام شده ابتدا نمونه‌های الکتروکاتالیستی مورد نظر سنتز و در این مسیر نانوذرات پلاتین بر روی کربن سیاه و نانوفیبرهای کربنی نشانده شدند. سپس آزمایشات فیزیکی و ساختاری متعددی روی نمون‌های دست‌نخورده برای مشخصه‌یابی کامل انجام شد و سپس محموعه‌ای از آزمایشات الکتروشیمیایی روی آنها صورت گرفت.

داراب تصریح کرد: در این تحقیق به عنوان مهمترین بخش مشخصه‌یابی درجا، عملکرد مجموعه غشا-الکترود ساخته شده از این نمونه‌ها درون پیل سوختی بررسی شد. در ادامه، نمونه‌های در معرض یک پروتکل تخریب تسریع‌شده (از نوع سیکل پتانسیلی) برای شبیه‌سازی فیزیکی عملکرد پیل سوختی در طول زمان با بین پتانسیل 0.6 و 1.5 ولت(نسبت به ولتاژ الکترود برگشت‌پذیر هیدروژن) قرار گرفتند. در پایان پس از عملیات تخریب سیکلی، تمامی آزمایش‌های انجام شده روی نمونه‌های دست‌ نخورده بر روی نمونه‌های تخریب شده تکرار شد تا مقایسه‌ای سیستماتیک بین نمونه‌های اولیه و ثانویه انجام شود.

وی خاطرنشان کرد: براساس این بررسی، عملکرد اولیه تک‌ذره‌های پلاتین به وضوح از بقیه نمونه‌ها بالاتر است و جایگاه دوم در این زمینه به ساختار فیلمی نانوذرات پلاتین روی نانوفیبر کربنی تعلق دارد. اگر چه نمونه ذره - توده پایین‌ترین عملکرد الکتروشیمیایی درون پیل سوختی را دارند، اما با در نظر گرفتن میزان کاهش عملکرد پیل‌سوختی، کمترین کاهش نسبی دانسیته جریان در یک پتانسیل مشخص بعد از تخریب را شامل می‌شوند که به معنی بالاترین دوام نسبی بین این سه نمونه است.

در این پژوهش همچنین اثر ضخامت لایه کاتالیستی بر عملکرد و دوام پیل سوختی پلیمری بررسی شد که نتایج جالبی به همراه داشت.

داراب تصریح کرد: با مطالعه دقیق خصوصیات نمونه‌ها با ضخامت‌های متفاوت قبل و بعد از یک پروتکل واحد تخریب مشخص شد که آستانه‌ای برای تغییر مکانیسم موثر در فرایند الکتروشیمیایی وجود دارد که بالاتر از این آستانه سینتیک واکنش الکتروشیمیایی و همچنین محدودیت‌های انتقال جرم به طرز چشمگیری افزایش می‌باید. یکی از شواهد این مساله افزایش قابل توجه مقاومت پلاریزاسیون در طیف‌های امپدانس الکتروشیمیایی در محیط اکسیژن رقیق برای نمونه ضخیم‌تر بعد از پروتکل تخریب است. این یافته احتمالا می‌تواند به طراحی بهینه لایه کاتالیستی در پیل‌های سوختی پلیمری کمک شایانی بکند.

وی خاطرنشان کرد: مجموعه مطالعه انجام شده در این پروژه دکتری درک ما را از اثر توزیع نانوذرات پلاتین روی پایه‌های مختلف کربنی بر روی عملکرد و دوام پیل سوختی تا حدی توسعه داده است. نکته شاخص در این پروژه سنتز نانومواد از ایتدا و تهیه مجموعه الکترود و غشا از مواد سنتزی و از همه مهمتر راه‌اندازی پیل سوختی پلیمری عملیاتی با مواد ساخته شده است. استفاده از مواد سنتزی در یک پیل سوختی حقیقی و تولید الکتریسیته در پروژه‌های پژوهشی کمتر دیده می‌شود و غالبا اندازه‌گیری‌های الکتروشیمیایی داخل سلول‌های با الکترولیت مایع انجام می‌شود که در عمل با اتفاقاتی که داخل پیل سوختی حقیقی می‌افتد متفاوت است و کار را برای طراحی‌های صنعتی سخت می‌کند اما در این پروژه با انجام هر دو جنس آزمایش (الکترولیت مایع و پیل سوختی حقیقی با الکترولیت جامد یا مجموعه الکترود غشا) دیدگاه واقعی‌تری از اثر توزیع ذرات در سطح کاتالیست بر عملکرد و دوام پیل سوختی پلیمری به دست آمده است.

گفتنی است، فناوری پیل سوختی یکی از گزینه‌های جذاب در مجموعه سیستم‌های تبدیل انرژی تجدیدپذیر خصوصا در کاربردهای ترابری است. از نقطه نظر عملیاتی پیل‌های سوختی بهره‌وری بالاتری از سیستم‌های احتراق دارند که به صورت نظری با بهره‌وری چرخه کارنو محدود می‌شوند. از نقطه نظر زیست محیطی نیز خروجی جانبی پیل‌های سوختی (آب) بارها محیط زیست دوست‌تر از خروجی‌های سیستم‌های مبتنی بر انرژی فسیلی است و اینها جذابیت‌های اصلی پیل‌ سوختی و سرمایه‌گذاری زیاد در این زمینه را موجه می‌کند.