بخشی از مقاله
تهیه مجموعه الکترود غشا بر پایه نفیون/گرافن اکسید سولفونه به روش لایه نشانی فاقد الکترود برای پیل های سوختی غشای مبادله کننده پروتون
خلاصه
در این کار با استفاده لایه نشانی فاقد الکترود پلاتین روی غشای نانوکامپوزیت نفیون/گرافن اکسید سولفونه موفق به ساخت مجموعه الکترود غشا با کارایی خوب، سطح فعال الکتروشیمیایی بالا و رسانایی پروتون بالا شده ایم. نتایج تست های الکتروشیمیایی CV، LSV و EIS نشانگر عملکرد خوب MEA ساخته شده می باشند.
کلمات کلیدی: پیل سـوختی غشای مبادله کننده پروتون (PEMFC)، مجموعه الکترود غشا (MEA)، لایه نشانی فاقد الکترود
.1 مقدمه
پیل های سوختی یکی از منابع انرژی هستند که از منابع تجدیدپذیر برای تولید انرژی استفاده می کنند و دارای مزایایی از جمله عدم آلودگی محیط زیست، عدم آلودگی صوتی و امکان استفاده از سوختهای مختلف می باشند. یکی از انواع پیل های سوختی، پیل سوختی غشای مبادله کننده پروتون (PEMFC) است که به عنوان یک تکنولوژی در حال گسترش برای تولید انرژی پاک و مطمئن در قرن بیست ویکم مورد توجه قرار گرفته است و مانند دیگر پیل ها دارای آند، کاتد والکترولیت می باشد. هیدروژن در سطح آند احیا شده و اکسیژن در سطح کاتد اکسید می شود. به منظور افزایش سرعت اکسیداسیون و احیا، لایه ای از الکتروکاتالیست هایی مثل Pt , Pd , Ru , Ni , Cr , Fe استفاده می شود.
مهمترین قسمت در پیل سوختی غشای مبادله کننده پروتون، مجموعه الکترود غشا (MEA) است که متشکل از لایه نفوذ گاز، کاتد ، آند و غشای مبادله کننده پروتون(الکترولیت) است. [1]
ویژگی مورد نیاز الکترولیت پلیمری در PEMFC جذب آب است. چون انتقال پروتون در این غشاها در حضور آب صورت می گیرد و با افزایش میزان جذب آب غشا، رسانایی پروتون نیز افزایش می یابد. بدین منظور می توان از نانوذرات SGO استفاده کرد که به دلیل وجود گروه های سولفونیک اسید میزان جذب آب را افزایش می دهند. 2
پلاتین در مجموعه الکترود غشا بصورت جوهر کاتالیست باترکیب (Pt/C) بعنوان کاتالیزور علاوه بر تسریع واکنش های الکترودی موجب کاهش عبور واکنش دهنده ها از عرض غشا و افزاایش جذب آب غشا و لذا کاهش مقاومت در برابر عبور پروتون می شود و لایه کاتالیست ذکر شده با روش های فیزیکی از قبیل اسپری کردن و برس زدن و همچنین روش
های شیمیایی و الکتروشیمیایی مثل آبکاری بدون الکترود روی غشا یا لایه نفوذ گاز لایه نشانی می شود که روش های شیمیایی بدلیل سهولت انجام و کنترل ویژگی ساختاری لایه ی پوشش داده شده مورد توجه است. [3]
MEA به دوصورت CCM (غشای کاتالیست نشانده شده) و ) GDE الکترود نفوذ گاز) قابل تهیه است که درCCM نخست جوهر کاتالیست به روش های گفته شده روی غشا نشانده می شود سپس غشای کاتالیست دار شده تحت حرارت برای تولید MEA با لایه نفوذ گاز پرس می شود. در نوع GDE نخست جوهر کاتالیست روی لایه نفوذ گاز نشانده می شود سپس لایه نفوذ گاز کاتالیست دار شده و برای تولید MEA با غشا پرس می شود. MEA نوع CCM به دلیل بارگیری کمتر پلاتین وچگالی قدرت تقریبا %18 بیشتر انتخاب شده است. [3]
در روش لایه نشانی فاقد الکترود با غوطه ورسازی غشای فعال شده در حمام آبکاری که شامل محلول نمک کاتالیست یک عامل احیاکننده است، کاتیون کاتالیست در سطح غشا به فلز کاتالیست احیا می شود و لایه ای از کاتالیست روی غشا لایه نشانی می شود و یا لایه نفوذ گاز در حمام غوطه ور شده و لایه ای از کاتالیست در سطح آن ترسیب می شود. ضخامت کیفیت لایه کاتالیست ترسیب شده روی سطح غشا به مدت زمان غوطه ور شدن غشا در حمام آبکاری، غلظت محلول نمک کاتالیست، pH و دمای حمام آبکاری بستگی دارد. [4]
مهمترین فواید لایه نشانی فاقد الکترود عبارتند از : گزینش پذیری در ترسیب، خلوص بالای فلز لایه نشانی شده، توپوگرافی مسطح، دمای عمل پایین، هزینه کم، دانسیته جریان بالاتر و طول عمر بیش از 40000 ساعت، مسمومیت مونواکسید کربن کمتر، ساده و قابل اجرا بودن روش.[4]
.2 آزمایش
برای تهیه گرافن اکسید از اکسیداسیون گرافیت به روش هامر استفاده شده است. سپس به کمک سولفانیلیک اسید، گرافن اکسید سولفونه تهیه گردید. غشای نانوکامپوزیت نفیون/گرافن اکسید سولفونه با استفاده از قالب گیری محلول نفیون حاوی نانوذرات SGO تهیه شده و به کمک روش لایه نشانی فاقد الکترود پلاتین روی آن لایه نشانی شد. 5
.3 نتایج
نمونه های MEA تهیه شده با تصویر SEM از لحاظ فیزیکی و با روش های CV،LSV و EIS از نظر الکتروشیمیایی مورد ارزیابی قرار گرفتند. تصویر SEM از MEA ساخته شده در شکل 1 نمایش داده شده است که نانوذرات پلاتین پخش شده روی غشای نانوکامپوزیت نفیون/گرافن اکسید سولفونه در آن نمایان است. نانوذرات پلاتین با پخش خوب به دلیل استفاده از روش لایه نشانی فاقد الکترود و کنترل شرایط جذب و کاهش پلاتین روی غشا حاصل شده اند.
