در بالا به مزایای پیل های سوختی پلیمری که امروزه در حال گسترش سریع هستند پرداختیم و دیدیم که چگونه می توان با استفاده از نانوکامپوزیت های به دست آمده از نانوالیاف ، خواص این گونه پیل ها را ارتفا بخشید. اما همانگونه که خواهید دید استفاده از این پیل ها محدودیت های جدی را به دلیل خروج آب از آن ها به وجود می آورد.

برای از بین بردن این مشکل از نانوالیاف کربن استفاده می کنند. در ادامه به این موضوع پرداخته شده است. و مشاهده می شود تنها کاربرد نانوالیاف در پیل سوختی ، ساخت غشا نیست.

پیل های سوختی با غشای تبادلگر پروتون(PEMFCs) که اخیرا به عنوان یک منبع تجدید پذیر برای کاربرد های مختلفی به سبب کارایی بالا و مزایای زیست محیطی و عمل تحت دمای کم ،مورد توجه قرار گرفته اند.با این حال ،دمای عملیاتی کم نشان دهنده یک مشکل مهم است. چون اجازه می دهد که آب اضافی از آن خروج پیدا کند و داخل پیل سوختی غشای تبادلگر پروتون شود که این باعث افزایش محدودیت انتقال جرم در پیل سوختی می شود.

عموما اعتقاد بر این است که تولید پیوسته از آب در لایه پخش گاز کاتد در خلال عمل در پیل سوختی باعث می شود که در کاتد جریان پیدا کند و سرعت پخش اکسیژن را در لایه کاتالیست کاتد کاهش دهد و عملکرد پیل سوختی را کاهش دهد.بنابر این تنظیم آب مایع یک نقطه بحرانی است تا به عملکرد خوب و کارایی بالا در پیل سوختی غشای تبادلگر پروتون برسیم.بیشترین تکنیک هایی که برای تنظیم آب تمرکز دارند،برداشت آب اضافی و استفاده از لایه کاتالیستی جلوگیری کننده از جاری شدن تحت شرایط مرطوب و نگهدارنده هیدروژن فول از غشای الکترولیت با رسانایی پروتونی بالا و تحت شرایط اشباع است.

متاسفانه بهترین استراتژی برای تنظیم آب در پیل سوختی غشای تبادلگر پروتون (PEMFC) به طورکامل قابل تعیین نیست.لایه انتشار گاز(GDL) بین صفحه دو قطبی و لایه کاتالیستسی قرار می گیرد.و این یکی از مهمترین بخش ها و اجزا در پیل سوختی غشای تبادلگر پروتون برای تنظیم آب است.به منظور مدیریت و رسیدن به عملکرد انتقال گاز عالی،لایه انتشار گاز (GDL)در اثر عمل با دیسپرسیون فلوئورو پلیمر(fluoropolymer dispersion) معمولا به صورت هیدروفوبیک ساخته می شود.

علاوه بر این میکرو لایه متخلخل(MPL) که از مخلوط جزء کربنی با دیسپرسیون فلوئورو پلیمر حاصل می شود، می تواند به عنوان یک روش خوب در برداشت آب مایع از لایه کاتالیستی کاتد به لایه انتشارگاز کاتد مورد استفاده قرار گیرد.انواع مختلفی از مواد کربنی با میکرو ساختارهای متفاوت هستند که قابلیت تنظیم آب از میکرو لایه های متخلخل و همچنین قابلیت بهبود عملکرد پیل سوختی غشای تبادلگر پروتون را دارا هستند. آزمایشات نشان می دهند که استعمال نانو مواد کربنی قابلیت نفوذ گاز و رسانایی الکتریکی از میکرو لایه متخلخل (MPL)را بهبود می بخشد.

رشد نانو لوله های کربنی به طور مستقیم در کاغذ کربنی بدون عامل هیدروفوبیک نشان داده است که (GDL)دارای عملکرد پایدارتری است. کاربرد ورقه های نانو فایبر الکتروریسی شده از کربونیزاسیون در (MPL) برای کاربرد در پیل سوختی به طو کامل هنوز به بهره برداری نرسیده است. تکنیک های الکتروریسی متدهای متنوع بسیاری دارد و فرایندهای محلول ریسی یا ذوب ریسی به وسیله غشای متصل به هم انجام می گیرد.الیاف بسیار ظریف به صورت وب با قطرهایی در محدوده چند نانومتر تا چند میکرو متر تولید می شود.دارابودن سطح مقطع بسیار بالا و منفذهای بسیار کوچک،این لایه ها که از الکتروریسی به دست می آیند آنها را برای کاربردهای بسیاری جذاب کرده است.

توسعه نانو فایبر کربن با ترکیب تکنیک الکترو ریسی و عملیات حرارتی کار را آسانتر کرده و هزینه ها را نیز کاهش داده است. یک صفحه نانو فایبر کربن (CNFS)به روش الکتروریسی ،تثبیت و سپس فرایند کربونیزاسیون تهیه می شود.تصاویر به دست آمده از میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM) نشان داده است که صفحات نانو فایبر کربن بوسیله نانو فایبر بی بافت با قطر ما بین 400 تا 700 نانو متر تشکیل شده است.البته کاربرد ورقه های نانو فایبر الکتروریسی شده از کربونیزاسیون در (MPL) برای کاربرد در پیل سوختی به طو کامل هنوز به بهره برداری نرسیده است.

این ساختار سه بعدی متخلخل صفحات نانو فایبر کربن ،نشان دهنده رسانایی الکتریکی و هیدرو فوبیکی بالاست.علاوه بر این می توان از آن با موفقیت به عنوان یک میکرو لایه متخلخل (MPL)در لایه پخش گاز کاتد (GDL) در غشای تبادلگر پروتون از پیل سوختی(PEMFC) استفاده کرد.لایه پخش گاز کاتد با صفحات نانو فایبر کربن به عنوان یک میکرو لایه متخلخل دارای قابلیت رسانایی بالاتری از یک لایه پخش گاز کاتد معمولی دارد.علاوه بر این نتیجه خروجی از این لایه پخش گاز کاتد در پیل سوختی دارای بودن عملکرد بالاتر با توان پیک بالا تر از یک لایه پخش گاز کاتد که با میکرو لایه متخلخل معمولی ساخته شده است و تحت همان شرایط تست شده است.

(CNFS)به روش الکتروریسی و در نهایت با روش عملیات حرارتی ساخته می شود.در ابتدا یک لایه نانو فایبر پلی اکریلو نیتریل (PAN)به روش الکتروریسی به دست می آید.محلول پلی اکریلونیتریل با غلظت (8 wt.%) 8درصد وزنی در دی متیل استامید در دمای 60درجه با مخلوط کردن مکانیکی طی مدت 36 ساعت تهیه می شود.محلول با استفاده از یک لوله بسیار ظریف و نازک به قطر 0.9mm از سرنگ محتوی 5mL محلول تزریق می شود .سرعت جریان محلول پلیمری 1mL h−1است.سرعت تزریق با استفاده از یک پمپ کنترل می شود.

ولتاژ مورد استفاده 14 kV است.یک صفحه جمع آوری کننده هم در فاصله 15 سانتی متری برای جمع آوری این ذرات نازک قرار می گیرد.لایه نانو فایبر پلی اکریلو نتیریل رسیده شده بعدا طی مراحل زیر تبدیل به (CNFS)می شود.پایدارسازی در 250 ◦C برای 2 ساعت در هوا با سرعت گرم کردن 5 ◦C min−1 و کربونیزاسیون در 900 ◦C for 2 h با سرعت گرم کردن 3 ◦Cmin−1 در نیتروژن انجام می شود.

شکل 22 مورفولوژی میکرو ساختار CNFS را نشان می دهد.با توجه به این شکل قطر های نانو فایبر کربن در محدوده بین 400 تا 700 نانو متر است.و مورفولوژی CNFS بیانگر ساختار متخلخل و 3 بعدی از آن است.از این رو میکروساختارهای 3 بعدی از CNFSمی تواند تراوایی گاز و برداشت آب را در کاتد وقتی که ورق نانو فایبر کربن( CNFS )در لایه انتشار گاز(( GDL به عنوان میکرولایه متخلخل به کاربرده می شود ،بهبود ببخشد.

رفتار تری شدن از یک جامد به وسیله زاویه تماس یک قطره از آب با سطح تعیین می شود.در این فرایند زاویه تماس آب برای ورقه های نانو فایبر اندازه گیری شد.دریافتیم که لایه نانو فایبر PAN و لایه پایدار سازی شده از نانو فایبر دارای زاویه تماس 0 درجه هستند.این پدیده ممکن است به سبب طبیعت قطبی PAN و تشکیل –OH و –COOH در خلال عملیات پایدارسازی از PANدر هوا توجیح شود.

با این حال بعد از کربونیزاسیون لایه های نانو فایبر کربن هیدروفوبیک می شوند و متوسط زاویه تماس آب لایه های نانو فایبر کربن در حدود 136 درجه نشان داده شده است.(شکل 23)و این ممکن است نتیجه تبخیر عناصر نانو کربن از نانو فایبر در فرم متان،آب،کربن دی اکسید و سایر گازها باشد.

شکل 24 تصویر SEM را از سطح و از یک سطح متقاطع از لایه انتشار گاز(( GDL با انواع مختلف از میکرولایه های متخلخل MPL را نشان می دهد.سطح میکروساختاری از میکرولایه متخلخل ورقه نانو فایبر کربن در شکل a 24 یک غشای نانو فایبر متخلخل را نشان می دهد.در مقایسه با یک میکرولایه متخلخل متداول ساخته شده با پودر کربن و FEP (شکل c 24)،ورقه نانوفایبری کربن با ساختار سه بعدی متخلخل برای انتقال واکنش دهنده گازی مناسب است.

در بعضی از میکرولایه های متخلخل متداول،پودر کربن به صورت یکنواخت روی لایه الیاف کربن بدون ایجاد شکاف بزرگ ،که ممکن است باعث ایجاد محدودیت درسرعت انتشار واکنش دهنده های گازی شود،توزیع و پخش می شود. در شکل b &d 24 مشاهده می شود که میکرولایه متخلخل از ورقه نانوفایبر کربن دارای ضخامت یکنواخت در حدود 25µm است.در حالیکه میکرولایه متخلخل متداول دارای ضخامت نایکنواخت بین 15 and 30µm است.

بخش هایی از پودر کربن در میکرولایه های متخلخل متداول در تخلخلها لایه الیاف کربنی می افتد و باعث بسته شدن راههای واکنش دهنده گازی می شود .در مقابل میکرولایه متخلخل ورقه نانو فایبر کربن که با لایه الیاف کربنی در تماس است،دارای تخلخلهای روی لایه کربنی الیاف است که بسته نیستند.این ممکن است باعث کاهش در تاخیر جریان واکنش دهنده های گازی از کانال جریان به لایه کاتالیست شود.

.عملکرد یک پیل سوختی برای یک غشا MEAs که در دمای 70 درجه سلسیوس تهیه شده با واکنش دهنده های گازی هیدروژن و هوا در نمودار9 نشان داده شده است.از این شکل در می یابیم که ماکزیمم توانی که ازلایه انتشار گاز ساخته شده با میکرولایه متخلخل نانو فایبر کربن 321mWm−2 است.که در حدود 23 درصد بالاتر از لایه انتشار گاز معمولی است.این نتیجه می تواند به خواص هیدروفوبیک و انتقال گاز بهتراز میکرولایه متخلخل ورقه نانو فایبری کربن در پیل سوختی با غشای مبادلگر پروتون نسبت داده شود.