چكيده فارسي :
چكيده
انواع پيل‌هاي سوختي كه در دماي پايين مورد استفاده قرار مي‌گيرند، به عنوان منابع توليد نيرو براي جايگزين شدن با منابع هيدروكربني (خصوصاً براي استفاده در وسايل نقليه و همچنين موارد غير متحرك) مورد توجه قرار گرفتهاند. پيل‌هاي سوختي هيدروژني يكي از اين جايگزين‌ها است. عليرغم كارايي مناسب اين پيل‌ها، محدوديت‌هاي عمده‌اي در ذخيره‌سازي و انتقال هيدروژن وجود دارد و همچنين هزينه‌ي توليد پيل‌هاي سوختي هيدروژني بسيار زياد است.
سوخت‌هاي زيادي از جمله متانل، اتانل، پروپانل، اسيد فرميك و... به جاي هيدروژن مورد استفاده قرار گرفتهاند. اين سوخت‌هاي آلي عموماً داراي فعاليت كم هستند، سمي‌اند و بازده اكسيداسيون آن‌ها كم است.
سديم بوروهيدريد، به طور ذاتي داراي دانسيته‌ي انرژي بالايي مي‌باشد، به دليل مايع بودن، راحت ذخيره مي‌شود، از لحاظ شيميايي، پايدار و غير قابل اشتعال است و نهايتاً طي واكنش، محصول آلوده كننده‌اي مثل CO2 را توليد نمي‌كند. بنابراين پيل سوختي بوروهيدريد مستقيم مي‌تواند گزينه‌ي خوبي براي تحقيق در بين پيل‌هاي سوختي باشد.
در سال‌هاي اخير تحقيقات گسترده‌اي براي بهبود نانوكاتاليست‌هاي پيل سوختي بوروهيدريد، چه در قسمت آند و چه در قسمت كاتد صورت گرفته است. در اين پروژه، نانوكاتاليست كاتدي با نانو ذرات غير پلاتيني ارزان، در پيل سوختي بوروهيدريد مستقيم استفاده شد و عملكرد آن با نانوكاتاليست 10%Pt/C تجاري، مقايسه گرديد. اثرات غلظت بوروهيدريد روي كارايي، با اين دو نانو كاتاليست كاتدي بررسي و سوخت بهينه معرفي شد كه اين سوخت بهينه عبارت بود از 5 درصد سديم بوروهيدريد و 10 درصد هيدروكسيد پتاسيم. ماكزيمم دانسيته‌ي توان با استفاده از اين سوخت در پيل سوختي بوروهيدريد مستقيم با نانوكاتاليست كاتدي اكتا و نانوكاتاليست پلاتيني به ترتيب mW/cm2138 و mW/cm250 به دست آمد. سپس براي بررسي علت عملكرد اين دو كاتاليست كاتدي، خواص فيزيكي و همچنين مورفولوژي نانو ذرات آن از روش‌هاي ارزيابي پلاريزاسيون، ولتامتري چرخه‌اي، امپدانس الكتروشيميايي (EIS)، ميكروسكوپ الكتروني (SEM) و پخش اشعه‌ي ايكس (XRD) استفاده شد. نتايج پخش اشعه‌ي ايكس، نوع و اندازه‌ي ذرات را دو نانو كاتاليست غير پلاتيني مشخص كرد كه ميانگين اين ذرات كمتر از 20 نانومتر تخمين زده شد. پس از ارزيابي پلاريزاسيون و تأثير آن بر كارايي پيل، به وسيله‌ي آزمايش ولتامتري چرخه‌اي جريان‌هاي ناشي از اكسايش بوروهيدريد در حضور اين دو نانوكاتاليست كاتدي اندازه‌گيري شد. جريان توليد شده با نانوكاناليست غير پلاتيني كمتر از A/cm2 2/0بود در صورتي كه اين جريان در حضور نانوكاتاليست پلاتيني A/cm25/1 بدست آمد كه دليل آن را مي‌توان به ميزان حساسيت قابل ملاحظه‌ي نانوكاتاليست غير پلاتيني در مقابل ميان‌عبور بوروهيدريد ربط داد. آزمايش اسپكتروسكوپي امپدانس الكتروشيميايي براي بررسي مقاومت‌ها در مناطق مختلف پلاريزاسيون به كار گرفته شد.
كلمات كليدي: پيل سوختي بوروهيدريد مستقيم، نانوكاتاليست (HypermecTMK14)، نانوكاتاليست (10%Pt/C).
چكيده انگليسي :
Abstract
A PEFC that utilizes a borohydride compound, usually sodium borohydride in aqueous alkaline medium, directly as a fuel is termed as direct borohydride fuel cell (DBFC). A DBFC is a device that converts chemical energy stored in borohydride ion (〖"BH" 〗_"4" ^"-" ) and an oxidant directly into electricity by redox processes. Usually, a DBFC employs an alkaline solution of sodium borohydride (NaBH4) as fuel and oxygen as oxidant. DBFC has some attractive features such as high open circuit potential, low operational temperature and high power density. The DBFC is a promising power system for portable applications.
Sodium borohydride (NaBH4), which has a capacity value of 5.67 Ah g-1 and hydrogen content of 10.6 wt.%, is a good alternative to methanol and hydrogen as a fuel. In the recent years, extensive research work is being carried out and reported on improving the performance of nanocatalysts for both anode and cathode of fuel cells. In this thesis the single cell performance of carbon supported non-platinum electrocatalyst (HypermecTMK14) as cathode material was investigated in alkaline electrolyte borohydride fuel cells and compared to that of 10% Pt/C (commercial). The structural and electrochemical aspects of the HypermecTM K14 and 10% Pt/C (commercial) electrocatalysts were further investigated. X-ray diffraction (XRD) indicates the Pt and K14 particles average size is lesser than 20 nm. Scanning electron microscopy (SEM) shows the spherical shape of Pt and K14 particles and distributed homogeneously across the substrate matrix. The HypermecTMK14 cathode showed superior performance to that observed using the 10% Pt/C cathode, e.g. power density up to 138 mWcm-2. Cyclic voltammetry data exhibit the better borohydride tolerance for K14 and Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analyses demonstrated that the cell with K14 nanocatalyst showed not only low ohmic resistance but also small charge and mass transfer resistances. The difference in performance can be attributed to variations in activity towards oxygen reduction reaction and in borohydride tolerance among the cathodes.
Keywords: non-platinum electrocatalyst, alkaline electrolyte borohydride fuel cells, single cell performance, borohydride tolerance.
