غشاهای تبادل پروتون برای پیل های سوختی

1.1 مروری بر

مشکل کمبود انرژی در سراسر جهان روز به روز جدی تر می شود.زیرا سوخت فسیلی سنتی قابل تجدید نیست و استفاده از این فرآیند باعث آلودگی زیست محیطی جدی می شود.با این حال، بیشتر تبدیل انرژی توسط فرآیند موتور حرارتی حاصل می شود که ناکارآمد است.در طول 30 سال گذشته، سوخت های فسیلی کاهش یافته و تقاضا برای انرژی پاک افزایش یافته است.این یک وظیفه جدی پیش روی بشر در قرن بیست و یکم است که به دنبال انرژی های تجدیدپذیر سازگار با محیط زیست باشد.بنابراین، با توجه به مشکلات فوق الذکر ناشی از انرژی سنتی، تحقیقات در زمینه بهبود راندمان تبدیل انرژی و جستجوی انرژی های جدید پاک بیش از پیش گسترده شده است.

پیل سوختی نوع جدیدی از فناوری انرژی است که مستقیماً انرژی شیمیایی سوخت را از طریق واکنش الکتروشیمیایی به الکتریسیته تبدیل می کند.علاوه بر این، با شرایط جغرافیایی و جغرافیایی محدود نمی شود.در سال های اخیر، پیل های سوختی به سرعت توسعه یافته اند و در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند.

1.2 سلول های سوختی

سلول های سوختی توسط چرخه کارنو محدود نمی شوند و نرخ تبدیل انرژی نظری بالایی دارند (بازده 80 درصد زیر 200 درجه سانتی گراد). در عمل، راندمان دو تا سه برابر موتورهای احتراق داخلی معمولی است. سوخت مورد استفاده هیدروژن، متانول، هیدروکربن ها و سایر مواد غنی از هیدروژن است که سازگار با محیط زیست است.بنابراین، سلول های سوختی چشم انداز کاربرد گسترده ای دارند.سه جنبه زیر از ترکیب، طبقه بندی و ویژگی های پیل های سوختی به طور خاص معرفی می شوند:

1.2.1 ترکیب پیل های سوختی

پیل سوختی در اصل یک وسیله معکوس برای الکترولیز آب است.در یک پیل سوختی، هیدروژن و اکسیژن با واکنش شیمیایی آب تشکیل می دهند و الکتریسیته آزاد می کنند.ساختار اصلی پیل سوختی از آند، کاتد و الکترولیت تشکیل شده است.معمولاً آند و کاتد حاوی مقدار مشخصی کاتالیزور برای تسریع واکنش الکتروشیمیایی در الکترود هستند.بین این دو قطب الکترولیت ها قرار دارند که می توان آنها را به پنج نوع اصلی، فسفاته، اکسید جامد، کربنات مذاب و غشای تبادل پروتون تقسیم کرد.یک پیل سوختی H/O را به عنوان مثال در نظر بگیرید (شکل 1-1): H وارد قسمت آند پیل سوختی می شود و لایه پلاتین روی آند هیدروژن را به پروتون و الکترون تبدیل می کند.الکترولیت میانی فقط اجازه می دهد تا پروتون ها به قسمت کاتدی پیل سوختی عبور کنند.الکترون ها از طریق مدار بیرونی به کاتد جریان می یابند تا جریان ایجاد کنند.اکسیژن وارد کاتد پیل سوختی می شود و با پروتون ها و الکترون ها ترکیب می شود و آب را تشکیل می دهد.