ساخت قلب پیل سوختی با فناوری نانو در ایران

محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر موفق شدند با طراحی غشای تبادل پروتون به عنوان قلب پیل سوختی با فناوری نانو، عملکرد انتقال پروتون در این غشا را بهبود دهند که نقش بسزایی در افزایش بازدهی انرژی پیل سوختی دارد.

به گزارش ایسنا، مهدی صدرجهانی، مجری طرح با بیان اینکه این مطالعات در قالب رساله دکتری تحت عنوان «بررسی هدایت یونی در غشای تبادل یون بر پایه سازه‌های نانولیفی آرایش یافته SPEEK (پلی اتراترکتون سولفونه شده) با قابلیت کاربرد در پیل سوختی» اجرایی شده است، اظهار کرد: انرژی و محیط زیست، یکی از مشکلات پیش روی جامعه بشری در قرن 21 است.

وی افزود: طبق اطلاعات منتشر شده توسط آژانس بین‌اللملی انرژی در سال 2011 میلادی، تقاضای جهانی برای انرژی، افزایش چشمگیر 40 درصدی بین سال‌های 2009 تا 2035 میلادی خواهد داشت که در این بین سوخت‌های فسیلی (زغال سنگ، گاز طبیعی و نفت خام) منابع اولیه تامین انرژی به شمار می‌روند.

صدر جهانی با بیان اینکه این منابع محدود بوده و باز تولید آنها میلیون‌ها سال به طول خواهد انجامید، افزود: تولید، انتقال و استفاده از این منابع طبیعی مخاطرات زیست محیطی را نیز در پی دارد. احتراق ناشی از سوخت‌های فسیلی نه تنها آلاینده‌های هوا از قبیل اکسید گوگرد و فلزات سنگین تولید می‌کند بلکه گازهای گلخانه‌ای بوجود آمده منجر به تغییرات آب و هوای جهانی و افزایش دمای زمین خواهد شد.

وی با تاکید بر توسعه فناوری و وسایل تبدیل انرژی پاک، ادامه داد: پیل سوختی، از جمله وسایل تبدیل انرژی پاک به شمار می‌رود که تا زمان تغذیه شدن توسط سوخت، انرژی شیمیایی را به صورت پیوسته به انرژی الکتریکی و مقداری حرارت تبدیل می‌کند؛ خروجی این وسیله الکتروشیمیایی طی فرآیند تبدیل انرژی، آب است که آن را تبدیل به یک فناوری دوستدار محیط زیست کرده است.

این محقق، غشای تبادل پروتون را یکی از اجزای مهم در هر پیل سوختی دانست که به عنوان قلب پیل سوختی تلقی می‌شود، خاطر نشان کرد: غشای تبادل پروتون، به عنوان بستری برای هدایت پروتون (یون‌های H+) و جداکننده واکنش‌گرها درون پیل عمل می‌کند و بهبود عملکرد آن نقش بسزایی در افزایش بازدهی انرژی پیل سوختی دارد.

وی اضافه کرد: ازاین‌رو در پژوهش حاضر با مهندسی ساختار غشاهای تبادل پروتون بر پایه نانولیف هادی پروتون و استفاده از مفهوم هیبریدی برای همپوشانی نقاط ضعف مواد یونومری، گامی در جهت بهبود هدایت پروتونی در غشاهای تبادل پروتون برداشته شد.

به گفته صدرجهانی، در میان مواد نانومقیاس، نانوالیاف با ویژگی‌های جالب توجه خود می‌توانند بستر مناسبی برای هدایت پروتون باشند که با استفاده از روش الکتروریسی امکان تولید نانوالیاف و کنترل بر روی مورفولوژی، نظم قرارگیری در ساختار سه بعدی و اجزای تشکیل دهنده آنها وجود دارد.

این محقق با اشاره به روند اجرای این پروژه تحقیقاتی، خاطر نشان کرد: سازه‌های نانولیفی با آرایش‌های نانوالیاف متفاوت تصادفی و موازی شده در صفحه غشا از نانوالیاف الکتروریسی شده پلی‌اتراترکتون سولفونه شده (SPEEK) با قابلیت هدایت پروتون تهیه شده و رفتار انتقال پروتون این ساختارها ارزیابی و مدل‌سازی شد.

صدرجهانی ادامه داد: علاوه بر این، از آنجایی که راستای عبور یون از میان غشا در پیل سوختی (راستای ضخامت غشا) اهمیت بسزایی در هدایت پروتونی دارد، غشاهای کامپوزیت نانولیفی با نانوالیاف هادی پروتون آرایش یافته در راستای عبور (عمود بر صفحه غشا) به عنوان یک غشای نانولیفی جدید ساخته و رفتار انتقال پروتون آنها نیز بررسی شدند.

وی هدف اصلی این پژوهش را ارتقای عملکرد هدایت پروتونی در غشاهای تبادل پروتون نانولیفی عنوان کرد که نتایج بدست آمده از نمونه‌های آزمایشگاهی و مدل‌های ارائه شده در این مطالعه به خوبی اثر مثبت آرایش یافتگی موازی نانوالیاف هادی پروتون درون ساختار سه‌بعدی غشا را بر روی بهبود هدایت پروتونی نشان داد.

صدرجهانی افزایش میزان موازی شدن نانوالیاف درون ساختار سه بعدی را از دستاوردهای این مطالعات دانست که منجر به بهبود هدایت پروتونی 67 درصدی نسبت به نمونه با آرایش تصادفی نانوالیاف شد.

وی ادامه داد: علاوه بر این، اندازه گیری هدایت پروتونی از میان صفحه در دمای محیط و رطوبت نسبی 100 درصد برای نمونه جدید ساخته شده در این پژوهش نشان داد که قرار گرفتن نانوالیاف هادی پروتون SPEEK در راستای ضخامت یا عبور می‌تواند منجر به بهبود قابل ملاحظه 8.1 – 0.7 برابری هدایت پروتونی نسبت به نمونه‌های فیلم مانند SPEEK گزارش شده در سایر مطالعات شود که به صورت متداول به عنوان غشای تبادل پروتون در کاربردهای پیل سوختی به کار گرفته شده است.

به گفته وی، این غشا از هدایت پروتونی مناسبی برای کاربرد در پیل سوختی برخوردار است که قابل مقایسه با غشای تجاری نفیون است.

وی ادامه داد: پژوهش حاضر، از جنبه‌های کسب فناوری، ارتقای مرزهای دانش و بهبود ویژگی محصول حائز اهمیت است. در این مطالعه، فناوری تولید غشای تبادل پروتون برپایه نانوالیاف آرایش یافته در راستای عبور بدست آمد و غشای کامپوزیت نانولیفی جدید طی چند مرحله مختلف تهیه شد.

این محقق یادآور شد: در ساخت این غشا از نانوالیاف هادی پروتون SPEEK، ماده محافظتی و پرکننده لایه نانولیفی و ماده اتصال دهنده لایه‌های مختلف استفاده شده است.

این محقق دانشگاه صنعتی امیرکبیر اظهار کرد: وجه تمایز این غشا با تمامی غشاهای تبادل پروتون نانولیفی گزارش شده در مطالعات مختلف این است که در آن نانوالیاف از آرایش یافتگی در راستای ضخامت غشا برخوردان، در صورتی‌که در سایر غشاها، نانوالیاف در صفحه غشا آرایش پیدا کرده‌اند.

این رساله دکتری با راهنمایی دکتر علی اکبر قره آقاجی و به مشاوره دکتر مهران جوانبخت، اساتید دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام گرفته است. تا کنون دو مقاله ISI از این پژوهش منتشر شده و مقالات مربوط به سایر بخش‌های پژوهش در حال آماده‌سازی است.