مطالعه ترکیب نانو ساختار لایه کاتالیست کاتد بر عملکرد پیل سوختی پلیمری

افزایش دانسیته توان مجموعه الکترود- غشاء (mea) یکی از اساسی ترین گامها در جهت تجاری شدن فناوری پیل های سوختی پلیمری می باشد. مجموعه الکترود- غشاء شامل غشاء و الکترود های نفوذی گازی آند و کاتد می باشد که به صورت یک مجموعه در کنار هم قرار می گیرند و تشکیل مجموعه الکترود- غشاء می دهند. الکترود نفوذی گازی از بستر کربنی، لایه نفوذ و لایه کاتالیست تشکیل شده است. لایه کاتالیست خود از نانو ذرات پلاتین و یونومر های نفیون تشکیل شده که به صورت فیلم با ضخامت چند نانومتر در کنار ذرات کاتالیست قرار می گیرد. کنترل میزان یونومر نفیون در ریز ساختار لایه کاتالیست و عملکرد مجموعه الکترود- غشاء نقش تعیین کننده ای دارد. از اینرو در این پروژه تحقیقاتی به منظور دستیابی به مقدار بهینه یونومر نفیون در ترکیب لایه کاتالیست، الکترود های کاتد با درصد های وزنی مختلف نفیون (35%-27%) و میزان بارگذاری یکسان از نانو ذرات پلاتین روی بستر پارچه کربنی (e-tek) حاوی لایه نفوذ ساخته شد. کاتد های ساخته شده در پیل سوختی پلیمری در شرایط مختلف عملیاتی شامل دما های متفاوت پپل، آند وکاتد همچنین در فشار های متفاوت گاز های واکنشگر اکسیژن و هیدروژن توسط دستگاه تست پیل سوختی مورد ارزیابی قرار گرفتند. عملکرد این الکترود ها توسط منحنی های پلاریزاسیون بررسی گردید. میکروسکوپ الکترونی روبشی نیز برای مطالعه مورفولوژی ریز ساختار لایه کاتالیست استفاده شد. نتایج نشان می دهد که تغییر میزان یونومر نفیون در لایه کاتالیست سبب تغییر در ریز ساختار آن می شود بطوریکه با افزایش درصد نفیون میکرو حفرات کوچکتر شده و تخلخل کمتری در لایه کاتالیست ملاحظه می گردد همچنین نتایج منحنی های پلاریزاسیون نشان می دهدکه الکترود دارای 32% نفیون در لایه کاتالیست کاتد، دارای بالاترین عملکرد است. این امر می تواند به افزایش نواحی سه فازی ارتباط داشته باشد در مقادیر کم نفیون یونومر مبادله کننده پروتون در اختیار برخی از کاتالیست ها قرار نمی گیرد و تعدادی از محل های فعال کاتالیست نتوانند در واکنش احیا اکسیژن شرکت کنند در مقادیر بالای نفیون نیز ضخامت فیلم نفیونی تشکیل شده بر روی ذرات کاتالیست و بستر افزایش یافته و موجب کاهش عملکرد پیل به علت بسته شدن محل های کاتالیست می شود.