پژوهشگران دانشگاه صنعتی اصفهان با ایجاد یک اصلاح سطحی با استفاده از پوشش نانومتری روی صفحات دوقطبی فلزی پیل سوختی پلیمری توانستند کیفیت نهایی آن را بهبود بخشیده و بازدهی و طول عمر آن را افزایش دهند.
افزایش بازدهی و طول عمر پیل سوختی با اعمال پوشش نانومتری
صفحات دوقطبی فلزی پیل سوختی پلیمری بیشترین هزینه را در ساخت پیل سوختی دارند و ستون اصلی در تولید پیل سوختی به‌حساب می‌آیند. به همین منظور در این پژوهش که توسط پژوهشگران دانشگاه صنعتی اصفهان انجام شده است، صفحات دوقطبی فلزی پیل سوختی پلیمری به‌منظور بهبود توان تولیدی نهایی، کاهش خوردگی صفحات و بهبود عمر آن، تولید و با استفاده از پوشش چندلایه نانومتری نیتریدی اصلاح سطحی شدند. هدف از این پژوهش، ساخت صفحات دوقطبی پیل سوختی با مقاومت به خوردگی بالا و مقاومت تماسی فصل مشترک پایین به منظور بهبود کیفیت نهایی آن به‌عنوان سامانه‌ای زیستسازگار بوده است.
شریف جنت فارغ‌التحصیل کارشناسی ارشد رشته مهندسی مواد از دانشگاه صنعتی اصفهان درباره انگیزه طرح این پژوهش گفت: «یکی از شیوه‌های اساسی که فناوری آن در دهه اخیر به‌سرعت توسعه یافته است استفاده از پیل‌های سوختی برای تأمین هم‌زمان الکتریسیته و حرارت به روش الکتروشیمیایی است. در این روش که به عبارتی می‌توان آن را عمل الکترولیز معکوس قلمداد کرد، انرژی الکتریکی از طریق انجام واکنش الکتروشیمیایی بدون احتراق استخراج می‌شود و نهایتاً به تولید برق، آب و حرارت می‌انجامد. این روش در مقایسه با سایر روش‌ها از کارایی زیادی برخوردار بوده و آلودگی بسیار کمی تولید می‌کند. با توجه به اینکه پیل‌های سوختی به‌صورت شیمیایی برق تولید می‌کنند، خیلی بهتر از احتراق خواهند بود. آن‌ها محدودیت قوانین ترمودینامیک واحدهای تولید قدرت مرسوم را ندارند و بازده بسیار بیشتری در تولید انرژی از یک سوخت خواهند داشت. همچنین با افزایش هرچه بیشتر بازدهی سیستم می‌توان اتلاف گرما از بعضی پیل‌های سوختی را مهار کرد. پیل‌های سوختی به‌عنوان سامانه‌ای زیستسازگار با بازدهی تولید انرژی الکتریکی بالا و آلودگی بسیار کم، امروزه در صنایع خودروسازی و صنایع انرژی در تولید الکتریسیته، وسایل نقلیه هیبریدی و حمل‌ونقل مورد توجه قرار گرفته‌اند. با توجه به افزایش نرخ آلودگی صنعتی و گرم‌شدن کره زمین به دلیل استفاده از سوخت‌های فسیلی، استفاده از سامانه‌های انرژی زیستسازگار مورد توجه محققhن و دانشمندان قرار گرفته است.»
وی درباره شیوه این طرح گفت: «در این پژوهش صفحات دوقطبی از جنس فولاد زنگ‌نزن آستنیتی ۳۱۶L پیل سوختی غشا پلیمری PEMFC که مهم‌ترین قسمت و در واقع ستون اصلی پیل سوختی به‌حساب می‌آیند به‌منظور افزایش بازدهی و بهبود توان خروجی پیل، تولید و توسط روش رسوب فیزیکی بخار قوس کاتدی پوشش‌دهی شدند و تحت آزمون‌های مختلف قرار گرفتند تا به استاندارهای تعیین‌شده برای پیل سوختی توسط دپارتمان انرژی آمریکا DOE برسند. در این طرح از آزمون‌های پراش پرتو ایکس XRD و میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM برای مشخصه‌یابی ترکیب شیمیایی سطح صفحات دوقطبی و از آزمون میکروسکوپ الکترونی روبشی- گسیل میدانی FE-SEM به‌منظور تعیین اندازه و ضخامت لایه‌های پوشش نانومتری بهره‌گیری شد. همچنین آزمون‌های الکتروشیمیایی خوردگی نظیر پلاریزاسیون پتانسیواستاتیک PSPT و پلاریزاسیون پتانسیودینامیک PDPT و آزمون طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی EIS به‌منظور بررسی مقاومت به خوردگی صفحات دوقطبی تولیدی در شرایط عملیاتی پیل و بررسی طول عمر آن‌ها انجام گرفت. آزمون اندازه‌گیری مقاومت تماسی فصل مشترک ICR نیز به‌منظور ارزیابی هدایت الکتریکی صفحات و آزمون ترشوندگی WA نیز به‌منظور بررسی خواص آبگریزی صفحات دوقطبی صورت گرفت.»
پژوهشگر دانشگاه صنعتی اصفهان درباره نتایج مهم و کلیدی این کار تحقیقاتی گفت: «افزایش مقاومت به خوردگی الکتروشیمیایی تقریباً ۱۰۰۰ برابری صفحات دوقطبی در شرایط کاتدی شبیه‌سازی‌شده پیل سوختی، افزایش خواص آبگریزی با افزایش زاویه ترشوندگی صفحات دوقطبی که به کاهش نرخ خوردگی و افزایش عمر صفحات کمک می‌کند و کاهش مقاومت تماسی فصل مشترک صفحات دوقطبی و به دنبال آن افزایش هدایت الکتریکی صفحات، از نتایج مهم این طرح پژوهشی است که همه این موارد ناشی از به‌کارگیری پوشش نانومتری با نرخ رسوب و چسبندگی مناسب به صفحات است و منجر به افزایش توان تولید انرژی الکتریکی پیل، افزایش عمر پیل سوختی و نهایتاً رسیدن به بالاترین کیفیت در شرایط عملیاتی می‌شود.»
شریف جنت معتقد است این طرح قابلیت تجاری‌شدن دارد و به همین منظور باید کارگروه‌های تخصصی در سطح کشور متشکل از افراد خبره در زمینه انرژی از رشته‌های مختلف از جمله مهندسی برق، مکانیک، مواد، شیمی و غیره تشکیل شود تا تمامی بخش‌های اجرایی از صفر تا صد موردمطالعه گسترده قرار گرفته و قدم در تولید صنعتی این سامانه برداشته شود.
وی درباره کارهایی که در ادامه این طرح می‌توان انجام داد گفت: «طرح‌های بسیاری در این زمینه می‌توان تعریف کرد؛ از جمله تغییر نوع و جنس پوشش برای صفحات دوقطبی، به‌کارگیری روش‌های پوشش‌دهی متنوع و استفاده از همین صفحات دوقطبی ساخته‌شده در سایر پیل‌های سوختی نظیر پیل سوختی متانولی که نهایتاً در جهت بهبود توان تولیدی پیل سوختی انجام خواهد گرفت.»
این کار پژوهشی که حاصل یک پروژه دانشگاهی است و با همکاری شریف جنت فارغ‌التحصیل کارشناسی‌ارشد رشته مهندسی مواد از دانشگاه صنعتی اصفهان و نویسنده اول مقاله و چندتن از پژوهشگران و اعضای هیئت‌علمی دانشگاه صنعتی اصفهان و دانشگاه بوعلی سینا همدان انجام شده، در قالب مقاله‌ای با عنوان Preparation and performance of nanometric Ti/TiN multi-layer physical vapor deposited coating on 316L stainless steel as bipolar plate for proton exchange membrane fuel cells در مجله Journal of Power Sources با ضریب تأثیر ۷٫۴۶۷ (سال ۲۰۱۹) به چاپ رسیده است.
