بهینه سازی فاکتورهای عملیاتی موثر نظیر نانو ساختار الکترودها، ناقلین الکترون، و اصلاح غشا بر توان سل های سوختی میکروبی با روش eis

یکی از چالش های اساسی در زمینه ی توسعه و بکارگیری سلهای سوختی میکروبی در مقیاس وسیع، درک عوامل موثر در توان خروجی این سل ها است. بدین منظور بایستی الکترودهایی با خواص کاتالیتیکی مناسب و عملکرد پایدار جهت استفاده در این سلها توسعه یابد و نیز اثر سایر عوامل دخیل بر عملکرد این دسته از وسایل نوین تبدیل انرژی به خوبی بررسی شود. در این تحقیق کاتد های مبتنی بر نانو ساختارهای مختلف ساخته، اصلاح و عملکرد الکتروشیمی آنها با هدف افزایش توان خروجی سل سوختی میکروبی با کشت مخلوط میکروارگانیزم ها وجایگزینی کاتد های گران قیمت برپایه پلاتین با روشهای مختلف الکتروشیمیایی مانند پلاریزاسیون و طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (eis) بررسی شد. اثر هرکدام از عوامل دخیل در مراحل ساخت، اصلاح و بکارگیری الکترودهای جدید و انواع سوبستراها و ناقلین الکترون بر پارامترهای عملکردی سل سوختی میکروبی مانند ولتاژ، جریان و توان خروجی و بهره کولنی مطالعه شد. از مجموع مطالعات انجام شده روی سلهای سوختی میکروبی نتایج زیر به دست آمد: الف) غشاء فلیمون که نسبت به غشاء استاندارد نافیون ارزانتر و در دسترس تر است و مقاومت مکانیکی بهتری نیز دارد براحتی می تواند با رفتاری مشابه غشاء نافیون از نظر عبور کاتیونها و تولید توان در کاربردهای سل سوختی میکروبی مورد استفاده قرار گیرد. ب) از طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی در بارهای مقاومتی خارجی مختلف می توان به عنوان روش بدیعی برای بررسی رفتار فصل مشترک آندی و کاتدی سل سوختی و تغییرات پارامترهای عملکردی استفاده کرد. ج) توان الکتریکی تولیدشده از سوبستراهای مختلف به دو عامل اصلی بستگی دارد. حضور میکروارگانیزمهای تخصص یافته برای متابولیسم یک سوبسترای معین و پیچیدگی ساختار ملکولی و بالطبع مسیر متابولیستی تجزیه یک سوبسترا. سوبستراهای ساده مانند گلوکز توسط میکروارگانیزمها زود تجزیه می شوند در حالیکه سوبستراهای پیچیده و سنگین مانند نشاسته دیر هضم بوده وتوان الکتریکی کمتری تولید می کنند. د) با استفاده از آرایه نانو و افزایش سطح موثر الکترود کاتد و ترسیب نانو ذرات فلزات نجیب مناسب مانند پالادیم می توان کاتدهای نانو ساختاری ارزان قیمت تر و سهل الوصول تر در مقایسه با کاتدهای گران قیمت مبتنی بر فلزاتی مانند پلاتین تهیه کرد که در کاربردهای سل سوختی توانی قابل مقایسه با آن الکترودها ارائه می کنند. ه) نوع فلز ترسیب شده و فعالیت الکتروشیمیایی ذاتی آن در واکنش احیاء اکسیژن در کاتد بسیار اهمیت دارد. در شرایط بالک و نانو ساختاری فعالیت الکتروشیمیایی فلز پلاتین بیشتر از فلز پالادیم و آن نیز به مراتب بیشتر از فلز طلا است. این موضوع را می توان با ایجاد مسیر واکنش سهل تر برای احیاء اکسیژن با فلزات پلاتین و پالادیم و بی اثر بودن نسبی طلا مرتبط دانست.