موفقیت محققان دانشگاه امیرکبیر در افزایش عملکرد پیل‌های سوختی

محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر ضمن ارائه غشاهایی برای پیل‌های سوختی پلیمری دما بالا، موفق به افزایش عملکرد این نوع پیل‌ها در حدود 540 میلی وات بر سانتی مترمربع در دمای 180 درجه سانتی گراد شدند.



دکتر 'خدیجه هوشیاری' مجری طرح با بیان اینکه این تحقیقات در راستای توسعه غشاهای پلیمری دما بالا است و مطالعات آن از حدود هفت سال قبل آغاز شده است، به تشریح نقش پیل های سوختی در تامین انرژی جهان پرداخت.

وی افزود: درقرن بیست و یکم نیاز فوری به تولید انرژی با حفاظت محیط زیست است از این رو پژوهش های گسترده ای در کسب فناوری های تبدیل انرژی مانند پیل های سوختی صورت گرفته است.

به گفته هوشیاری از میان پیل های سوختی، نوع پلیمری به علت عملکرد بهتر، توان تولید بیشتر و عمر کاری بالاتر توانسته است به عنوان یک منبع تولید انرژی پاک نقش پررنگ تری را در کارهای تحقیقاتی و صنعتی ایفا کند.

وی یکی از مشکلات فعلی پیل های سوختی بر پایه غشاهای نفیون را کاهش شدید عملکرد آنها در دمای بالای 80 درجه سانتی گراد دانست و گفت: از همین رو توسعه غشاهایی با قابلیت کاربرد در دماهای بالا و در شرایط خشک امری ضروری در توسعه پیل های سوختی پلیمری دما بالا به شمار می رود.

مجری این طرح تحقیقاتی، غشای«پلی بنزایمیدازول» دوپ شده با اسید فسفریک را به دلیل پایداری حرارتی بالا و مکانیسم رسانایی پروتونی خاص، بهترین نوع غشای پلیمری دما بالا توصیف کرد و ادامه داد: در این پروژه برای اولین بار در سطح ملی و بین المللی غشاهای کامپوزیتی جدید جایگزین نفیون تجاری بر پایه پلی بنزایمیدازول و مایعات یونی دی کاتیون تهیه شد.

وی هدف از این تحقیقات را بومی سازی این غشاها و کاهش هزینه ها ذکر کرد و ادامه داد: غشاهای کامپوزیتی تهیه شده در این پروژه، غشاهای مبادله کننده پروتون با رسانایی پروتونی بالا، پایداری حرارتی وعملکرد پیل سوختی بالا است که در پیل های سوختی پلیمری دما بالا به کار برده می شود.

هوشیاری با تاکید بر این که از غشاهای کامپوزیتی تهیه شده در این پروژه می توان در صنعت خودرو سازی و تولید همزمان برق و حرارت به جای موتورخانه های فعلی استفاده کرد، یادآور شد: تولید همزمان برق و حرارت، می تواند علاوه بر افزایش بازده و کاهش مصرف سوخت، باعث کاهش انتشار گازهای آلاینده و گلخانه ای شود. 

وی ادامه داد: ساختمان های تجاری، دانشگاه ها، مجتمع های بیمارستانی و ساختمان های دولتی نیز گزینه های مناسبی برای بهره گیری از سیستم های تولید همزمان برق و حرارت هستند.

این محقق جوان درباره جنبه های نوآورانه این طرح تحقیقاتی نیز گفت: در این پروژه تحقیقاتی از مایعات یونی دی کاتیون به عنوان افزودنی جهت توسعه غشاهای پلیمری پایه پلی بنزایمیدازول جهت کاربرد در پیل های سوختی پلیمری دما بالا استفاده کردیم درحالیکه در تحقیقات قبلی برای توسعه غشاهای پلیمری از مایعات یونی مونوکاتیون استفاده شده بود.

وی تصریح کرد: مایعات یونی دی کاتیون به دلیل دانسیته بار زیاد نسبت به مایعات یونی مونوکاتیون منجر به افزایش مسیرهای انتقال پروتون و حفظ بیشتر اسید فسفریک در غشای پلی بنزایمیدازول می شود و افزایش پایداری حرارتی غشای پلی بنزایمیدازول دوپ شده با اسید فسفریک جهت کاربرد در دماهای بالا از دیگر مزایای مایعات یونی دی کاتیون است.

دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر به جزئیات این تحقیقات اشاره و اظهار کرد: در این مطالعات ما از مایعات یونی دی کاتیون پایه کاتیون بیس متیل ایمیدازولیوم استفاده کرده و توانستیم در حضور ترکیبات مزوپور غشاهای کامپوزیتی با عملکرد پیل سوختی بالا تهیه کنیم.

وی عملکرد پیل سوختی با استفاده از این غشا را حدود540 میلی وات برسانتی مترمربع دردمای 180 درجه سانتی گراد ذکر کرد و افزود: این مقدار نسبت به تحقیقات انجام شده بسیار قابل توجه است و نشاندهنده پتانسیل بالای این غشاها جهت بومی سازی این غشاها در کشور در راستای توسعه تکنولوژی پیل سوختی در کشور است.

هوشیاری با یادآوری اینکه در تولید این غشا از نانو فناوری بهره برده شد، توضیح داد: در این پروژه از مزوپورهای سیلیکا که با گروه های فنیل سولفونیک اسید عامل دار شده است، به منظور حفظ بیشتر مایعات یونی دی کاتیون در ساختار غشاهای کامپوزیتی بر پایه پلی بنزایمیدازول و افزایش عملکرد پیل سوختی این غشاها استفاده شد که این مزوپور دارای حفره هایی در اندازه 4 نانو متراست.

وی به پایان موفقیت آمیز مرحله آزمایشگاهی تولید این غشاها و اجرای مرحله نیمه صنعتی آنها اشاره کرد و گفت: چشم انداز ما این است که طی چند سال آینده با حمایت دولت و سازمان های مرتبط ، با توجه به پتانسیل بالای نیروی علمی جوان در کشور و وجود دانش فنی تهیه این غشاها، بتوانیم این غشاها را در مرحله صنعتی شدن پیش ببریم و گامی موثر در توسعه تکنولوژی پیل سوختی در کشور برداریم.

هوشیاری، ظهور تکنولوژی پیل سوختی را عامل تحول در صنعت انرژی جهان دانست و گفت: این فناوری تأثیرات عمیقی بر اقتصاد وابسته به نفت کشورخواهد بود از این رو سرمایه گذاری در فناوری پیل سوختی راه حل رفع معضل آلودگی هوا، کاهش مصرف سوخت، افزایش سطح تکنولوژی در کشور، ایجاد اشتغال و در نهایت حرکت جهش وار در جهت کاهش فاصله کشور از کشورهای صنعتی و جذب نیروهای متخصص داخل و خارج از کشور است.

نتایج این تحقیقات به صورت مقالات علمی در مجلات بین المللی ElectrochimicaActa و International Journal of Hydrogen Energy به چاپ رسیده و همچنین یک ثبت اختراع داخلی صورت گرفته و یک ثبت اختراع بین المللی (US Patent) نیز در مرحله داوری است.

این تحقیقات در قالب پایان نامه دکتری خدیجه هوشیاری دانش آموخته گرایش شیمی کاربردی با عنوان «تهیه و بررسی غشا الکترولیت پلیمری دما بالا بر پایه پلی بنزایمیدازول و مایعات یونی جهت کاربرد در پیل های سوختی» اجرایی شده است. 

این تحقیقات راهنمایی دکتر مهران جوانبخت از اعضای هیات علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر و دکتر مینا ادیبی از پژوهشگاه صنعت نفت انجام گرفته است.

منبع :