بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه، کاتالیست کامپوزیتی بر پایه نیکل شامل NiPt روی پارچه کربنی - با نسبت - Ni:Pt 5:1 آماده شد و در پیل سوختی با سوخت مستقیم بورهیدرید مورد استفاده قرار گرفت. لودینگ کاتالیست 2 mg.cm-2 بود. پراکسید هیدروژن به عنوان اکسیدانت و محلول قلیایی بورهیدرید سدیم به عنوان سوخت در پیل سوختی استفاده شدند. عملکرد پیل سوختی تحت شرایط عملیاتی مختلف از جمله غلظت سوخت و اکسیدانت و دما مطالعه شد. نتایج آزمایش ها نشان میدهد که با افزایش غلظت سوخت، اکسیدانت و دمای عملیاتی دانسیته توان نیز افزایش مییابد.
واژههای کلیدی: پیل سوختی بورهیدرید، کاتالیست NiPt، پراکسید هیدروژن، غلظت بورهیدرید سدیم، غلظت اکسیدانت، دما
مقدمه
پیل های سوختی در پنج دهه اخیر بطور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند پیل های سوختی باعث شده است تا منابع انرژی جایگزین بیشتری در اختیار باشد. با توسعه سریع در طراحی پیل های سوختی انتظار می رود در یک یک یادو دهه بعد تولید انرژی برای تجهیزات الکترونیک قابل حمل متکی به انرژی حاصل از پیل های سوختی باشد. سوخت هایی مثل گاز طبیعی، پروپان ودیزل مورد توجه قرار گرفته اند اما این سوخت ها باید اصلاح شوند تا هیدروژن تولید کنند .[1] چند مشکل جدی در این زمینه پیش می آید: قابلیت اعتماد این سیستم ها، امنیت ذخیره این سوخت ها و مشکلات تهیه سوخت قابل اشتعال گازی. بنابراین باید دنبال سوخت جایگزین بود.
یک سوخت جایگزین باید مستعد واکنش دهی باشد تا بطور مستقیم بدون اینکه سبب پسیو اسیون آند شود اکسید شوددستیابی. به بعضی سوخت ها مشکل است مخصوصاَ اگر از ماکرو مولکول ها استفاده شود. اور ولتاژهای بزرگ آندی نتیجه اکسایش ناقص است. سوخت های هیدرو کربنی می توانند بطور مستقیم در پیل های سوختی اکسید جامد - [2] - SOFC استفاده شوند، اما اکسایش مستقیم این هیدرو کربن ها چند مرحله مکانیسمی را درگیر می کند و موجب پسیو شدن الکترود می شود4]،.[3 این نگرانی ها محققان را به استفاده از سوخت های مایع مثل پیل سوختی با سوخت مستقیم متانول - DMFC - وا داشته است. هرچند که در DMFC آند به هنگام اکسایش مسموم می شود و عبور متانول از میان غشا راندمان را کاهش می دهد. پیشرفت های مهمی به بهبود عملکرد DMFC انجامیده است.[5-7]
تهیه الکتروکاتالیست Ni-Pt/C
اخیراَ سدیم بورهیدرید بصورت جامد یا محلول 30 درصد حل شده در محلول غلیظ سدیم هیدروکسید بعنوان بخشی از توسعه های مداوم جای گزین برای پیل های سوختی با دانسیته بالا مورد توجه قرار گرفته است که برای کاربردهای حمل ونقل و ابزارهای زیردریایی بکار می رود. با توجه به اینکه نگه داری هیدروژن در دراز مدت پر خطر است جایگزینی سوخت های دیگر با هیدروژن ضروری است. یون بور هیدرید هم بعنوان محیط ذخیره هیدروژن[8] و هم بعنوان یک سوخت مورد بررسی قرار گرفت9]و.[10 هردو سیستم مشکلات ظرف های ذخیره پرفشار هیدروژن را کاهش می دهد. بطور ایده آل اکسایش مستقیم یون بور هیدرید درمحیط قلیایی مبادله 8 الکترون را در پتانسیل تعادلی -1/24 ولت نسبت به SHE درگیر می کند.[11]
واکنش احیای اکسیژن تکمیل کننده واکنش کل است وپتانسیل تعادلی از نظر تئوری 1/64 ولت است.استفاده از هیدروژن پراکسید بجای اکسیژن بعنوان اکسیدانت باعث افزایش پتانسیل پیل می شود. این نوع سیستم با آندهای منیزیم و آلومینیوم در تعدادی از باتری های اولیه و پیل های سوختی بورهیدرید برای وسایل نقلیه زیر دریایی بکار گرفته می شود. هیدروژن پراکسید یک انتخاب مناسب برای این کاربردهاست. در مقایسه با دیگر اکسیدانت ها هیدروژن پراکسید خطر کمتری دارد، در محلول %35آبی پایدار است وسمی نیست. معایب این سوخت به قرار زیر است:انرژی مخصوص آن در مقایسه با اکسیژن کم است و در حضور فلزاتی مثل Pt، Pd و Au استفاده شده در پیل های سوختی تجزیه می شود. بنابراین یک کاتد مناسب باید احیای هیدروژن پر اکسید را بوده و ازتجزیه آن به اکسیژن جلوگیری می کند.
واکنش احیای هیدروژن پراکسید در محلول قلیایی بصورت معادله 4 است :پتانسیل پیل در این حالت 2/11 ولت است. در حالی که متانول - اکسیژن و هیدروژن - اکسیژن پتانسیل تعادلی به اندازه 1/21 و 1/23 ولت تولید می کنند. پتانسیل آند در پیل سوختی با سوخت مستقیم بورهیدرید - - DBFC پتانسیلی مختلط است که تحت تأثیر گونه های ردوکس موجود است. این گونه ها شامل محصولات حاصل از هیدرولیز بورهیدرید و اکسایش آن می باشد. در کاتد نیز دو واکنش احیای مستقیم هیدروژن پراکسید واحیای اکسیژن آزاد شده از تجزیه پراکسید رخ می دهد. احیای هیدروژن پراکسید را در محیط اسیدی به صورت معادله 5 است:ترکیب این واکنش ها با اکسایش مستقیم بور هیدرید پتانسیل پیلی به اندازه 3/01 ولت تولید می کند که 0/9 ولت بیشتر از احیای هیدروژن پر اکسید در محلول قلیایی است. با وجود همه این چالش ها پیل سوختی بورهیدرید-هیدروژن پر اکسید انرژی بیشتری نسبت به پیل های سوختی متانول - اکسیژن و هیدروژن- اکسیژن تولید می کند.
مواد و روش تحقیق
ابتدا پارچه کربنی به منظور حذف آلودگیهای سطحی و چربی زدایی در استون، ایزوپروپیل الکل و آب دیونیزه هر کدام به مدت نیم ساعت قرار داده شد. سپس در دمای 80 و300 درجه سانتیگراد به مدت نیم ساعت خشک شدند. میزان بار گذاری لایه نفوذ 2mg.cm-2 بود. لایه نفوذ از پودر کربن ولکان به همراه محلول تفلونی 30 درصد وزنی و آب و ایزوپروپیل الکل در حمام التراسونیک به مدت 2 ساعت دیسپرز شده تهیه شد و بر روی ورقههای کربنی با روش قلمو اعمال شد. در هر مورد پس از انجام لایه نشانی لایه نفوذ گازی، ورقههای کربنی در دماهای 70 و 300 درجه سانتیگراد هر کدام به مدت نیم ساعت داخل کوره کاملاً خشک شدند. سپس کاتالیست Ni-Pt/C - با نسبت اتمی - 5:1 برای نسبت وزنی 20wt.% فلز در پودر کاتالیست و با بارگذاری فلزی 2 mg cm-2 فلز در سطح تهیه شد.
ابتدا کربن ولکان در مخلوطی از آب و ایزوپروپیل الکل به مدت 2 ساعت با التراسونیک دیسپرس شد سپس نمکهای مربوطه نیکل و پلاتین به مقدار مناسب اضافه و دوباره به مدت 2 ساعت دیسپرس شد. سپس pH محلول تا 8 تنظیم شد و دمای آن به 80 درجه سانتیگراد رسانده شد. در ادامه توسط هیدرازین احیا شد. بعد از سرد شدن مخلوط خشک شد و به منظور حذف یونهای کلر چندین بار با آب مقطر شستشو داده شد و سپس خشک شد.برای تهیه جوهر کاتالیستی مخلوطی متشکل از 5 Wt% نافیون، آب و ایزوپروپیل الکل آماده شد و برای یکنواخت شدن جوهر، مخلوط به مدت 2 ساعت در التراسونیک دیسپرس شد. سپس جوهر کاتالیستی بر روی لایه نفوذ گازی با قلمو به طور یکنواخت اعمال شد.
قبل از استفاده از غشاء نفیون در ترکیب MEA، ابتدا باید کلیه آلودگیهای احتمالی از آن پاک شود و همچنین پروتونه گردد. برای این منظور ابتدا آن در آب دیونیزه با دمای 60 œC به مدت یک و نیم ساعت قرار داده شد. بعد از آن به مدت یک و نیم ساعت در دمای 60 œC در محلول 3 wt.% H2O2 جوشانده شده تا ناخالصیهای آلی موجود در آن اکسید شود. پس از این مرحله مجدداً به مدت یک و نیم ساعت در آب دیونیزه با دمای 60 œC قرار داده شد. در مرحله بعد غشا به مدت یک و نیم ساعت در محلول 0/5 M H2SO4 در دمای 60 œC جوشانده شده و در نهایت غشاء چندین بار با آب دیونیزه شستشو داده شده و تا قبل از اعمال پرس در آن نگهداری میشود.
بعد از تهیه آند و کاتد و آمادهسازی غشا، دو الکترود در دو سمت غشا توسط دستگاه هات پرس تحت دما و فشار بالا، پرس شده و در سلول پیل سوختی مورد استفاده قرار گرفت. در فرآیند تست پیل سوختی با سوخت مستقیم سدیم بوروهیدرید - DBFC - از محلول 0/5 M NaBH4 و2 M NaOH +1 به عنوان سوخت در آند و محلول 1 M H2O2وM +0/5 0/5H2SO4 بعنوان اکسیدانت در کاتد استفاده شد. تأثیر پارامترهایی چون غلظت سوخت، غلظت اکسیدانت، دمای عمل بر روی راندمان پیل مطالعه شد.
