پژوهشگران دانشگاه صنعتی امیرکبیر موفق به ساخت نانوغشاهایی از جنس نانوکامپوزیت شده‌اند که می‌تواند عملکرد پیل‌های سوختی را در دماهای بالا بهبود بخشد. این نانوغشا از خواص مکانیکی و حرارتی بسیار خوبی برخوردار است و در صورت کاربرد در پیل‌های سوختی، منجر به اف
دانشگاه صنعتی امیرکبیر: امکان ساخت پیل‌های سوختی با عملکرد مناسب در دماهای بالا
امروزه بحران آلودگی حاصل از سوخت‌های فسیلی و گران قیمت بودن انرژی هسته‌ای باعث شده که تولید انرژی با استفاده از پیل‌های سوختی به عنوان یکی از مهم‌ترین روش‌های تولید انرژی محسوب گردد. پیل‌های سوختی بدون ایجاد آلودگی‌های زیستی و صوتی، قادرند از ترکیب مستقیم بین سوخت و اکسیدکننده با بازدهی بالایی انرژی الکتریکی را تولید کنند.
به گفته‌ی علیرضا زارع، پیل‌های سوختی در زمینه‌ی تأمین انرژی بخش‌هایی مانند حمل و نقل عمومی، نیروگاه‌ها و وسایل الکترونیکی قابل حمل از قبیل تلفن‌های همراه و رایانه‌های شخصی کاربرد دارند.
وی در خصوص مشکلات موجود در این تجهیزات و لزوم انجام این طرح افزود: «یکی از مهم‌ترین انواع پیل‌های سوختی تجاری، پیل‌های سوختی غشای پلیمری است. در این دسته از پیل‌های سوختی، از غشاهای تجاری مختلفی از جمله نفیون به‌عنوان غشاهای مبادله کننده‌ی پروتون استفاده می‌شود. اما نفیون تجاری دارای معایبی همچون هزینه‌ی هنگفت و عدم کارایی لازم در دماهای بالاست. لذا در این کار تحقیقاتی، ساخت غشای نانوکامپوزیتی مد نظر قرار گرفت که در کنار کاهش هزینه‌های مرتبط، از پایداری حرارتی بالا، خواص مکانیکی مناسب و میزان عملکرد مطلوب سوختی برخوردار باشد.»
نتایج آزمون‌های انجام شده بر روی غشای نانو کامپوزیتی سنتز شده نشان می‌دهد نمونه‌های سنتز شده دارای عملکرد بسیار مناسبی در دما و رطوبت‌های مختلف است، به‌گونه‌ای که می‌تواند جایگزین مناسبی برای بسیاری از غشاهای تجاری موجود باشد.
در صورت دستیابی به تولید انبوه و استفاده از این غشا در ساخت پیل‌های سوختی می‌توان آلودگی ناشی از سوزاندن سوخت‌های فسیلی را حذف نمود؛ چراکه تنها محصول جانبی این تجهیزات در کنار تولید انرژی، آب است. همچنین نشر گازهای گلخانه‌ای نیز کاهش خواهد یافت. از طرفی پیل‌های سوختی راندمان بالاتری نسبت به سوخت‌های فسیلی متداول نظیر نفت و بنزین دارد.
به گفته‌ی زارع، میزان کارایی غشاهای مبادله کننده پروتون به صورت مستقیم بر میزان بازدهی پیل سوختی تأثیر می‌گذارد. به همین دلیل مهم‌ترین ویژگی دنبال شده در ساخت غشا نانوکامپوزیتی پلیمری در این طرح، خواص هدایت پروتونی بالا و همچنین خواص فیزیکی و حرارتی مناسب و عملکرد مناسب آن در دماهای بالا بوده است. برای دستیابی به این هدف از نانوصفحات اکسید گرافن عامل‌دار شده استفاده شده است.
این محقق در توضیح کامل‌تر نحوه‌ی ساخت این غشاها عنوان کرد: «جهت این کار ابتدا با استفاده از مونومرهای مختلف، پلی ایمید سولفونه با وزن مولکولی بالا و خواص مکانیکی مناسب سنتز شد. نانوصفحات اکسیدگرافن نیز به روش هامر سنتز شد. این نانوصفحات با گروه‌های ایمیدازولی با قابلیت جذب اسید فسفریک عامل‌دار شدند. سپس نانو کامپوزیت‌های پلی ایمید سولفونه/ اکسید گرافن عامل دار شده با درصدهای مختلف ساخته شد. جهت شناسایی نمونه‌ها از آزمون‌های مختلف FT-IR ،۱H-NMR،XPS ، XRD استفاده شد. همچنین آزمون‌های مختلف شامل آزمون هدایت پروتونی در دما و رطوبت‌های مختلف، آنالیز گرماوزن‌سنجی، آزمون خواص مکانیکی، ظرفیت تبادل پروتونی، میزان جذب آب و جذب اسید جهت بررسی میزان کارایی غشاهای نانو کامپوزیتی انجام شد. حهت بررسی ساختار و ریخت سطح غشاها نیز از میکروسکوپ الکترونی استفاده شد.»
لازم به توضیح است که نانوصفحات اکسید گرافن عامل دار شده با مایع یونی، باعث افزایش جذب آب، جذب اسید فسفریک و استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی و همچنین موجب افزایش هدایت پروتونی و کارایی غشاهای نانو کامپوزیتی در پیل‌های سوختی غشا پلیمری می‌گردد.
این تحقیقات حاصل تلاش‌های علیرضا زارع، وحید انصاری و دکتر الهه کوثری- عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر- است. نتایج این کار در مجله‌ی International Journal of Hydrogen Energy (جلد ۴۰، شماره ۴۰، سال ۲۰۱۵، صفحات ۱۳۹۶۴ تا ۱۳۹۷۸) به چاپ رسیده است.
