یکی از کاربردهای مهم محلول و غشای نفیون و فلمیون که به غشاهای پرفلوئوروسولفونیک اسید (PFSA) نیز مشهورند در حوزه انرژی، استفاده از آن‌ها در یک پیل سوختی است. لذا لازم است ابتدا ساختار و نحوه عملکرد پیل سوختی به‌اختصار توضیح داده شود.
پیل سوختی چیست؟
پیل سوختی وسیله‌ای است که با واکنش الکتروشیمیایی برق تولید می‌کند. هر پیل سوختی دارای دو الکترود است که به ترتیب آند و کاتد نامیده می‌شوند. واکنش‌هایی که برق تولید می‌کنند در الکترودها اتفاق می‌افتد. همچنین هر پیل سوختی دارای یک الکترولیت (معمولاً جامد) است که حامل ذرات باردار از یک الکترود به الکترود دیگر بوده و نیز دارای یک کاتالیزور است که واکنش‌های الکتروشیمیایی را در سطح الکترودها سرعت می‌بخشد.
هیدروژن سوخت اصلی در پیل‌های سوختی است، اما آن‌ها به اکسیژن نیز نیاز دارند. یکی از جذابیت‌های بسیار خوب پیل‌های سوختی این است که آن‌ها با آلودگی بسیار کمی برق تولید می‌کنند. بخش اعظم هیدروژن و اکسیژن مورداستفاده در تولید برق درنهایت باهم ترکیب شده و یک محصول جانبی بی‌ضرر، یعنی آب خالص تشکیل می‌دهند. شکل ۱ ساختار و اجزای اصلی تشکیل‌دهنده یک پیل سوختی پلیمری را نشان می‌دهد.
شکل 1:ساختار و اجزای اصلی تشکیل‌دهنده یک پیل سوختی پلیمری
پیل سوختی چگونه کار می‌کند؟
وظیفه یک پیل سوختی، تولید جریان الکتریکی است که به خارج از سلول (سل) هدایت گردیده تا کاری انجام دهد. مانند برق‌رسانی به یک موتور الکتریکی یا روشن کردن یک لامپ یا حتی تأمین روشنایی چراغ‌های یک شهر. به خاطر نحوه رفتار الکترون‌ها، جریان الکتریکی مجدداً به پیل سوختی بازگشته و حلقه مدار الکتریکی را تکمیل می‌کند.
اما چگونه؟
درواقع واکنش‌های الکتروشیمیایی که این جریان را تولید می‌کنند نکات کلیدی برای درک این موضوع هستند که چگونه یک پیل سوختی برق تولید می‌کند. انواع مختلفی از پیل‌های سوختی وجود دارند که فقط باکمی تفاوت از یکدیگر کار می‌کنند. بااین‌حال در پیل سوختی، مولکول‌های هیدروژن (H2) به قسمت آند وارد می‌شوند؛ یعنی جایی که به‌واسطه وجود یک کاتالیزور (معمولاً از جنس پلاتین) واکنش الکتروشیمیایی (اکسیداسیون) بر روی سطح آن اتفاق افتاده و الکترون‌های هیدروژن را به‌سرعت از آن می‌گیرند.
اتم‌های هیدروژن (H) اکنون ” یونیزه شده ” هستند و بار الکتریکی مثبت (یون +H) را حمل می‌کنند که از طریق الکترولیت جامد (غشای تبادل یون) مانند نفیون یا فلمیون عبور کرده و به قسمت کاتدی می‌روند. الکترون‌های دارای بار منفی، جریان لازم برای عبور از طریق سیم‌های متصل به الکترودها را برای انجام کار فراهم می‌کنند. اگر جریان متناوب (AC) موردنیاز باشد، خروجی DC تولیدی این پیل سوختی حتماً باید به درون یک مبدل (اینورتر) هدایت شود.
از سوی دیگر، در قسمت کاتدی، اکسیژن (O2 معمولاً از طریق هوا) وارد پیل سوختی می‌شود. الکترون‌های برگشتی از مدار الکتریکی را می گیرد، با یون‌های H+ که از طریق غشا از سمت آندی آمده‌اند ترکیب نموده و به آب خالص تبدیل می‌کند. در دیگر انواع پیل سوختی مانند پیل سوختی اکسید جامد، این اکسیژن است که الکترون‌ها را در کاتد گرفته و سپس از طریق الکترولیت به سمت آند می‌رساند؛ یعنی جایی که با یون‌های H+ترکیب می‌شود. شکل 2 یک پیل سوختی اکسید جامد را نشان می دهد.
شکل 2: ساختار و اجزای یک پیل سوختی اکسید جامد
غشا یا الکترولیت جامد نقشی کلیدی در پیل‌های سوختی بازی می‌کند. به‌طوریکه باید تنها به یون‌های مناسب (در اینجا پروتون) اجازه عبور بین آند و کاتد را بدهد. اگر اجازه دهد که الکترون‌های آزاد شکل بگیرند و یا مواد دیگری از الکترولیت عبور کنند، واکنش الکتروشیمیایی مختل خواهد شد.
چه در آند ترکیب شوند چه در کاتد، H2 و O2 مصرفی آب خالص تولید می کنند که از پیل تخلیه می‌شود. تا مادامی‌که یک پیل سوختی با H2 و O2 تغذیه شود، برای شما برق تولید خواهد کرد.
ساده است! این‌طور نیست!؟
مطلب مهم‌تر اینکه ازآنجایی‌که پیل‌های سوختی به‌جای احتراق، به روش الکتروشیمیایی برق تولید می‌کنند، مشمول محدودیت‌های ترمودینامیکی نیروگاه‌های متداول نیستند. شکل 3 نحوه عملکرد یک پیل سوختی را نشان می‌دهد.
شکل 3: نحوه عملکرد یک پیل سوختی
یک تک سل پیل سوختی تنها مقدار کمی جریان مستقیم (DC) تولید می‌کند. در عمل، تعداد زیادی از تک سل‌های سوختی معمولاٌ به‌صورت توده یا استک مونتاژ می‌شوند. قابل ذکر است که آن ها، از اصول یکسانی پیروی می‌کنند. شکل 4 یک تک سل یا توده پیل سوختی را نشان می دهد.
شکل 4: یک نمونه استک پیل سوختی پلیمری صنعتی
در خصوص غشا یا الکترولیت جامد، معمولاً از غشاهای تبادل یون برای این منظور استفاده می‌شود. متداول‌ترین نوع غشاهای تبادل یون (پروتون) مورداستفاده در پیل‌های سوختی، غشاهای پرفلوئوروسولفونیک اسیدی (PFSA) می‌باشند.
غشاهای تجاری: نفیون ساخت شرکت دوپونت(DuPont)، اخیراً شرکت شیمورس(Chemours) و فلمیون ساخت شرکت آساهی گلس (AGS)، مهم‌ترین اعضای این خانواده محسوب می‌گردند. غشای نفیون به‌طور وسیعی به‌عنوان الکترولیت پلیمری در پیل‌های سوختی مورداستفاده قرار می‌گیرد. پایداری شیمیایی، مکانیکی و هدایت پروتون بالا، این غشا را به اولین انتخاب در پیل‌های سوختی تبدیل کرده است. لازم به ذکر است غشای نفیون در طیف وسیعی از کاربردهای الکتروشیمیایی و فرآیندهای جداسازی دیگر نیز بکار گرفته می‌شود.
شرکت الکتروکیمیا بسپار (دانش‌بنیان) به‌عنوان اولین تولیدکنندهٔ محلول پلیمری و غشاهای نفیون و فلمیون در کشور محصولات باکیفیت بالای خود را برای طیف وسیعی از مصرف‌کنندگان به‌ویژه درزمینه پیل‌های سوختی (پلیمری) عرضه می‌نماید. برای خرید محصولات نفیون و فلمیون تولیدی شرکت الکتروکیمیا بسپار لطفاً به راهنمای خرید مراجعه فرمایید.
شکسته شدن قیمت‌های جهانی محلول و غشای نفیون!
یکی از دغدغه‌های اصلی پژوهشگران در کشور در حوزه پیل‌های سوختی تأمین اجزای سازنده پیل‌های سوختی در کشور می‌باشد. به‌واسطه وجود تحریم‌ها، قیمت‌های بالای وارداتی و محدودیت‌های فروش آن به ایران، دسترسی به این اجزا به‌ویژه محلول و غشای نفیون برای پژوهشگران کشور با مشکلات متعددی روبرو بوده است، بطوریکه بر روند تحقیقاتی آن‌ها اثر سوئی گذاشته است.
پس از اطلاع ازاین معضلات، پژوهشگران کارآفرین در شرکت دانش‌بنیان الکتروکیمیا بسپار بر مبنای سالیان متمادی تحقیق و توسعه در این زمینه در پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران خوشبختانه توانستند از سال ۱۳۹۷ موفق به تولید و عرضه محلول و غشای نفیون برای اغلب کاربردهای پژوهشی به‌ویژه در زمینه پیل سوختی درمقیاس آزمایشگاهی نیمه‌صنعتی گردند.
لذا دیگر لازم نیست محلول و غشای PFSA (همان نفیون یا فلمیون) را گران بخرید. شما می‌توانید محصولات نفیون و فلمیون موردنیاز پروژه‌های پژوهشی و حتی نیمه‌صنعتی خود را مستقیماً از طریق فروشگاه اینترنتی شرکت الکتروکیمیا بسپار در داخل کشور باقیمت‌های بسیار مناسب در مقایسه با قیمت جهانی در اسرع وقت تهیه نمایید.
