در الكترودهاي پيل سوختي پليمري از كاتاليزور پلاتين استفاده ميشود. آرايش اجزاء در اين پيل به نحوي است كه الكتروليت يا غشا بين دو الكترود قرار ميگيرد (شكلهاي 1 و 2 را ببينيد).
شكل 1. نمايي از اجزاء پيل سوختي
شكل 2. نمايي كلي از پيل سوختي
كاتاليزور پلاتين تنها در نقاطي كه در تماس با الكترود و الكتروليت باشد، ميتواند واكنشهاي پيل سوختي را كاتاليز يا تسريع نمايد. به اين نقاط «مرز سه فازي» ميگويند (شكل 3).
شكل 3. مرز سه فازي در پيلهاي سوختي
در گذشته الكترود پيل سوختي پليمري، از پلاتين ساخته ميشد. اما امروزه به دو علت اين كار انجام نميشود:
يك: در نتيجهي ساخت اين الكترودها، مقدار زيادي پلاتين، مصرف شده و قيمت پيل سوختي پليمري بسيار گران ميشد.
دو: تعداد مولكولهاي پلاتيني كه ميتوانند روي سطح قرار گيرند و با الكتروليت در تماس باشند (يعني در مرز سه فازي قرار گيرند) بسيار كمتر از كل مولكولهاي پلاتين است. اين يعني اينكه بيشتر مولكولهاي پلاتين نميتوانند نقش كاتاليزوري داشته باشند و در واقع، مولكولهاي پلاتيني كه روي سطح قرار ندارند به هدر ميروند. به بياني ديگر چون تعداد مولكولهاي پلاتين در مرز سه فازي كم بود، بازده پيل سوختي هم پايين بود.
بنابراين، براي حل اين مشكل بايد دو مسئله رفع ميشد:
1) مقدار پلاتين مصرفي در ساخت پيل سوختي كاهش مي يافت.
2) سطح بيشتري از مولكولهاي پلاتين در دسترس قرار ميگرفتند.
راه حل
يك راه براي رفع مشكلات مذكور اين بود كه پلاتين را بر روي مادهاي كه سطح زيادي دارد پخش كنند. اين ماده كه بستر نام گرفت علاوه بر داشتن سطح زياد، بايستي رسانا هم ميبود. امروزه از انواع مختلف كربن به عنوان بستر پيلهاي سوختي پليمري استفاده ميشود. علت اصلي انتخاب كربن به عنوان بستر، ويژگيهاي بينظير اين ماده است كه از آن جمله ميتوان به موارد زير اشاره كرد:
1. قيمت ارزان
2. هدايت الكتريكي بالا
3. مقاومت زياد در برابر خوردگي
4. پايداري خوب شيميايي
نقش بستر چيست؟
با پخش كردن پلاتين بر روي كربن، اندازه ذرات پلاتين به حدود 2 نانومتر يا كمتر ميرسد. همانطور كه ميدانيم وقتي ذرات به ابعاد نانومتري برسند، سطح تماسشان به طور چشمگيري افزايش مييابد، در نتيجه با توزيع پلاتين بر روي يك بستر كربني، ميتوان با مقدار بسيار كمتر پلاتين به سطح تماس زيادتري دست پيدا كرد. با اين كار هم مقدار استفاده از پلاتين كم ميشود و هم سطح پلاتين بيشتري در دسترس خواهد بود. علاوه بر اين به علت واكنشهاي بين پلاتين و بستر، امكان دارد ساختار الكترونيكي اتمهاي پلاتين بهبود يابد كه اين امر باعث افزايش جزئي فعاليت كاتاليزوري ميشود. به علاوه، اين برهمكنشها، موجب ميگردد كه ذرات پلاتين بر روي بستر گير كنند، بنابراين ذرات پلاتين ديرتر كلوخه ميشوند. كلوخه شدن ذرات پلاتين باعث كاهش سطح تماس آنها ميشود.
دستاوردهاي فناورينانو
با استفاده ار فناورينانو ميتوان الكترودهايي سبك، نازك و ارزان قيمت تهيه كرد كه نسبت به الكترودهاي معمولي بازده بهتري دارند. در اين زمينه ميتوان از نانوفيبرهايكربني، نانولولههايكربني يا تركيباتي كه داراي حفرههايي با اندازه نانومتري دارند استفاده كرد (شكل 4). در اين ميان نانولولههاي كربني بيش از سايرين مورد توجه واقع شدهاند.
شكل 4. توزيع پلاتين بر روي نانو فيبرهايكربني.
نانولولههاي كربني شكل جديد از كربن هستند كه ميتوانند تكديواره و يا چندديواره باشند. اين مواد داراي خواص جالبي (نسبت طول به عرض بالا، مقاومت زياد در برابر خوردگي، هدايت الكتريكي خوب و ...) هستند. (براي مطالعه بيشتر به مقالات مرتبط به نانولولههاي كربني در سايت مراجعه كنيد.) به علت همين ويژگيهاي منحصر به فرد نانولولههاي كربني، امروزه آنها گزينهاي مناسب براي بستر پلاتين در پيلهاي سوختي پليمري به شمار ميروند. شكل 5 نانولولههاي كربني را نشان داده ميدهد كه پلاتين بر روي آنها قرار گرفته است. همانطور كه در شكل ديده ميشود با قرار دادن پلاتين بر روي كربن، ذرات پلاتين كوچك شدهاند.
شكل 5. توزيع پلاتين بر روي نانولولههايكربني
به كمك نانولولههايكربني ميتوان با استفاده از مقدار كمتري از پلاتين به سطح تماس زيادي دست پيداكرد. در اين صورت مقدار مصرف پلاتين و قيمت پيل سوختي كمتر ميشود.
نتيجهگيري
با توجه به مطالبي كه در اين سه مقاله گفته شد، هيدروژن ميتواند به عنوان سوختي جايگزين در آينده در نظر گرفته شود. ابزار اين كار پيلهاي سوختي است و ازاينرو توسعه اين دستگاهها به عنوان وسيله توليد الكتريسيته اهميت زيادي دارد. براي تجاري سازي پيلهاي سوختي بايد تلاش كرد تا قيمت آنها را پايين آورد. در اين زمينه فناورينانو ميتواند نقش مهمي داشته باشد و به توليد پيلهاي سوختي با قيمت كمتر و بازده بيشتر كمك كند. نانوفيبرهايكربني، نانولولههايكربني يا تركيباتي كه داراي حفرههايي با اندازه نانومتري دارند، پيشنهادهاي فناورينانو براي بهبود عملكرد پيلهاي سوختي هستند.
