연료 전지 연구에 있는 환경 관리를 가진 KFM 그리고 CS-AFM 이용

Shijie 우와 Da Ming 주의
Keysight 기술에 의해 후원하는

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소개
연료 전지 기초
Nafion 구조물
방법과 기계 사용
KFM 측정
CS-AFM 측정
개요
참고
Keysight 기술에 관하여

소개

이 약품은 Keysight 5500 AFM 시스템을 사용하여 통제되는 습도 (KFM)의 밑에 켈빈 군대 현미경 검사법과 원자 군대 현미경 검사법 (CS-AFM) 화상 진찰을 현재 느끼기를 위한 실험적인 준비를 설명합니다. 통제되는 습도의 밑에 KFM 그리고 CS-AFM를 사용하여 양성자 교환 막의 연구 결과에서 결과는 또한 여기에서 제출됩니다. 이 결과는 KFM와 CS-AFM가 연료 전지 기술에서 사용된 양성자 교환 막의 지상 속성 그리고 이오니아 전도도 공부를 위한 강력한 공구이다는 것을 설명합니다.

연료 전지 기초

연료 전지는 더 높은 변환 효율성을 가진 청정 에너지를 제안하는 주요 기술 중 입니다. 연료 전지는 - 휴대용 장치에서 - 자동차와 바다 배에 많은 전기 응용을 강화하기 위하여 이용됩니다. 그러나, 2개의 중요한 도전은 연료 전지 기술의 가득 차있는 상품화에 경로에 남아 있습니다: (1)는 비용 그래서 그것을 감소시키기 위하여 기존 힘 기술에 경제적으로 경쟁적 및 (2) 연료 전지 시스템의 내구성 그리고 일생을 증가시키기 위하여 됩니다. 따라서, 연구원은 이 요구에 응하기에서 도울 수 있던 물자를 개발하고 성격을 나타내기에 그들의 노력을 집중하고 있습니다.

단단하 막 연료 전지는 빛 의무 수송과 휴대용 전자 장치를 위한 가장 유망한 시스템입니다. 이 시스템에서는, 양성자 교환 막 (PEM), 일컬어 중합체 전해질 막은 2개의 전극 사이에서, 사이에 끼워집니다. PEM는 H가+ 현재 교류를 위한 회로를 완료하기 위하여 처음부터 끝까지 통과하는 것을 허용합니다. 그러므로, PEM의 기계 및 열 속성 뿐 아니라 이오니아 전도도는 전부 연료 전지의 성과에 있는 생명 역할을 합니다. 단단하 막 연료 전지에서 널리 이용되는 PEM는 Nafion 의 친수성 이오니아 옆 단과 백본 테플론 같이 소수성을 결합하는 perfluorinated 중합체입니다.

Nafion 구조물

Nafion의 구조물이 많은 연구원에게서 주의를 끌더라도, 상세한 그림은 2개 분대의 비율에 변경하기 때문에 장악하기 어렵습니다. 작 각 엑스레이 뿌리 실험에 근거를 둔 최근 모형은 Nafion 막이 Nafion 소수성 중합체 백본 및 정자 [2]에 의해 지원된 친수성 슬포 단이 형성한 "근해 채널 통신로"로 이루어져 있다는 것을 건의합니다. Nafion 막의 화학 구조 및 "근해 채널 통신로" 모형은 숫자 1.에서 설명됩니다.

숫자 1. Nafion 막의 화학 구조 및 "근해 채널 통신로" 모형. 심상은 저자 [1]에게서 인가를 가진 공개 소프트웨어에서 적응시켰습니다.

음이온과 전자를 중단하고 있는 동안 "근해 채널 통신로"는 양성자 같이 작은 양이온을 통행을 제공합니다. 이 근해 채널 통신로의 직경은 대략 2개를 3 nm에 20% RH에 평균하고 평형된 상대 습도로 증가하는 막에 있는 수분 함량에 달려 있습니다. 그 결과로, Nafion의 이오니아 전도도는 막의 수화 수준에 달려 있고, 연료 전지에 있는 PEM의 적당한 수화의 통제는 기술 설계에 있는 도전이 되었습니다. 따라서, 그것의 수화 국가에 대한 PEM의 이오니아 이동 성질의 미결을 이해하는 것이 아주 중요합니다.

검사 탐사기 현미경 검사법은 (SPM) 양성자 교환 막 [3, 4]의 형태학, 이오니아 영역 구조 및 이오니아 전도도를 공부하기 위하여 적용되었습니다. 이론 모형이 [2] 건의하는 때, Nafion 표면은 소수성 지구 (중합체 백본에 일치하는) 및 친수성 지구로 이루어져 있습니다 (각자 편성된 이오니아 옆 단에 일치하는).

PEM 표면에 이 다른 단을 확인하는 것은 어려운 업무입니다. AC 최빈값 AFM [3]를 사용하여 단계 화상 진찰을 통해 친수성 사이트와 소수성 사이트를 구별하는 시도는 했습니다. 그러나, AC 최빈값 AFM에 있는 단계 신호는 AFM 끝과 견본 표면 사이 전반적인 상호 작용 군대에 달려 있습니다, 그래서 단계 심상에 근거를 둔 이오니아 다발의 식별은 어떠한 경우에는 애매할 수 있었습니다. 다른 한편으로는, 이오니아 다발이 소수성 중합체 지구와 비교되기 책임 다른 양을 전시하기 수 있기 때문에, 켈빈 군대 현미경 검사법을 검사하는 것은 직접 Nafion 막에 지상 잠재적인 변이를 측정하기 위하여 이용될 수 있습니다. 그 결과로, 막 표면에 이오니아 다발의 배급은 KFM 심상에서 확인될 수 있습니다.

AFM, 일컬어 수행 AFM를 현재 느끼는 스캐닝 탐사기 현미경 검사법의 각종 실험적인 기술 사이에서, 양성자 교환 막 [4]에 있는 양성자의 수송 과정 공부를 위해 특히 유용합니다. CS-AFM에서는, Pt 입히는 수행 끝은 이용됩니다. 숫자 2에서 설명된 그것과 같은 실험적인 준비에서는 Pt 입히는 AFM 끝은 최고 전극으로 봉사합니다. 연구 결과의 밑에 PEM는 지방화한 소형 연료 전지를 형성하는 끝과 밑바닥 지원 전극 사이에서 사이에 끼워집니다.

숫자 2. PEM의 이온 전도도의 CS-AFM 연구 결과. Pt tip/PEM/Pt/Z 윤곽은 이 준비에 있는 소형 연료 전지를 형성합니다.

긍정적인 편견이 AFM 끝에 적용될 경우, H는+ 뒤에 오는 반응에 의해 최고 전극에 생성될 것입니다:

HO2 → ½ O2 + 2H+ + 2e-

양성자는 존재 "근해 채널 통신로"를 통해서 그 후에 PEM를 통과하고 전자로 밑바닥 전극에 재결합시킬 것입니다:

2H+ + 2e- → H2

그러므로, AFM 끝을 흘러 관통하는 현재를 측정해서 일정한 군대에 PEM 표면에 검사하고 있는 동안, "액티브한" 유도 채널 통신로의 현지 배급 및 수화 수준에 대하는 이오니아 전도도의 미결이 양이 많은 장악되는 수 있는.

방법과 기계 사용

Nafion 115와 (CleanFuelCell, Inc.에서 구매되는) Nafion 212는 실험을 위해 사용됩니다. Pt/C 전극에 다리미질된 이 막은 최신입니다. Pt/C 전극은 탄소 피복에 예금된 Pt 필름으로 만듭니다. 막/전극 견본의 작고, 정연한 피스는 금속 기질에 기류를 위해 센터에 충분한 공간을 남겨놓는 전도성 은 페인트를 가진 구석을 접착제로 붙여서 붙어 있습니다. Pt/C 전극은 KFM 또는 CS-AFM 화상 진찰을 위한 현미경에 그 때 전기로 연결됩니다.

PicoAPEX 환경 약실, MAC 최빈값 III 관제사 및 90µm 다중목적 스캐너 장비된 Keysight 5500 AFM는 여기에서 사용됩니다. PicoAPEX 약실은 견본을 스캐너 및 통제 전자공학의 작동에 영향을 미치기 없이 지방화한 환경을 제공합니다. 실험은 통제되는 상대 습도 수준을 가진 24°C에 실행됩니다. 습도 조절은 근해를 가진 비커를 PicoAPEX 약실에 있는 두고 약실을 통해서 건조한 공기를 깨끗이 해서 실현됩니다. 건조한 기류의 비율을 통제해서, 일정한 습도 수준은 실험 도중 유지됩니다.

KFM 측정

이 실험에서는, KFM 측정은을 가진 단 하나 통행 접근을 통해 3 붙박이가 있는 Keysight MAC 최빈값 III 관제사, 독립적인 점거 증폭기 행해집니다. KFM 측정 도중, MAC 최빈값 III 관제사에서 2개의 점거 증폭기는 일반적으로 지세 화상 진찰을 위해 외팔보의 기계적인 진동을 추적하는 첫번째 점거 증폭기 및 정전기힘 측정을 위해 두번째 점거 증폭기가, 전기 변조를 추적하는 상태에서 동시에 사용됩니다. KFM 측정에 사용된 끝은 ~5 N/m.의 힘상수에 Pt/Ti 입히는 Si 끝 (MikroMash에서 NSC-14)입니다.

KFM 측정과 상세한 실험적인 절차의 원리는 안으로 찾아낼 수 있습니다 [5]. 전도성 끝이 견본 표면에 대하여 직류 전압 Udc 에 치우칠, 작은 ac 변조 Usin (acωt)가 끝에 동시에 적용될 때, 끝에 의해 경험된 총 정전기힘 전기 변조의 기본 적이고 및 높은 고조파에 일치하는 일련의 기여금으로 확장될 수 있습니다:

Felec = Fdc + F (ω) + F (2ω) +… (Eq.1)

첫번째 기간, 방정식dc 1에서 F는, dc 분대이고 떠오르기 위하여 기여금을 잠재적인 측정 하지 않습니다. 두번째 기간, 전기 변조에 기본 주파수 응답에 일치하는 F (ω)는, 곁에 주어집니다

φ가 = (Φ -sample Φ)tip /q 견본과 (CPD) 일함수, Φ와 Φ 사이 다름으로 정의되는 끝 사이 접촉 전위차인sample 곳에tip, q 의 기본 전하로 분할했습니다. 방정식 2에서, 끝에 적용되는 dc 잠재력이dc CPD를 같게 할 때) F (ω) = 0 때 U = φ (i.e, 정전기힘은 무효로 합니다. Φ가 일반적으로tip 전도성 끝에 사용되기 알려지기 금속 물자를 위해 일정하기 때문에, 견본 표면에 Φsample 의 변이는 CPD를 측정해서 측정될 수 있습니다. 그 결과로, KFM 실험에서 측정된 CPD는 수시로 견본의 지상 잠재력이라고 칭합니다. 실제로, 지상 잠재력은 정전기힘 분대, 끝에 dc 오프셋을 공급하는 자동 귀환 제어 장치 루프와 더불어 F (ω)를, 무효로 해서 측정됩니다.

제 3 의 기간, F (2ω)는, 전기 변조에 두번째 조화되는 반응에 일치하는 방정식 1에서, 곁에 주어집니다

그러므로, 두번째 조화되는 반응의 진폭은 dC/dz 의 견본 표면의 위 어느 정도 고도에 용량 변경을 측정합니다. 간단한 축전기에서 것과 같이, 2개의 금속 전극 사이 용량은 중간 물자의 절연성 속성에 달려 있습니다. 따라서, 측정한 dC/dz는 유전체의 변이에 관하여 정보를 제공하고 견본을 통해 분극 속성은 떠오릅니다.

16% RH에 장악된 Nafion 숫자 3에서 212의 지세와 표면 잠재적인 심상은 보입니다 (아)와 (b), 각각. 지세 심상은 표면을 퍼지는 것을 Nafion 212 막의 표면이 물자 다발 같이 뿐 아니라 섬유 같이 가지고 있다는 것을 보여줍니다. 지상 잠재적인 심상은 ~300 mV 만큼 높이 중대한 전위차가, Nafion 표면에 특유한 지역 사이에서, 존재한다는 것을 제시합니다. 더 높은 지상 잠재력의 지역은 낮은 표면 잠재력의 지역과 비교된 양전하 조밀도와 다발에 그리고 구조물 섬유 같이 대응합니다. 높 잠재력 지역이 소수성 지역과 연관되고 낮 잠재력 지역이 친수성 이오니아 지구와 연관된다는 것을 가능합니다. 표면에 물 분자에 의하여 가리기 때문에, 친수성 이오니아 지구는 근본적인 구조물의 더 적은 세부사항을 가진 1개의 획일한 잠재력을 보여줍니다. 지상 잠재적인 심상으로 장악된 용량 (dC/dz) 심상은 숫자 3 (c)에서 보입니다. 일반적으로 dC/dz 심상은 낮 잠재력 지구를 위한 더 높은 진폭 및 높 잠재력 지구를 위한 더 낮은 진폭을 보여줍니다.

(a) 숫자 3. 지세, 지상 잠재력 (b), 및 16% RH에 Nafion 212의 용량 (c) 심상.

지상 잠재력에 대한 근해의 효력은 습도 수준이 증가시킬 때 분명합니다. 숫자 4에서 보이는 것처럼, 37% RH에, Nafion 115의 지상 잠재적인 심상은 약간 특정한 위치를 제외하면 크게 획일하게 됩니다. 또한 동시에 집합된 Nafion 115 표면의 단계 심상은 숫자 4에서 보입니다. 단계 심상은 지상 잠재적인 심상과 표면에 동일 위치에 특징을 제시합니다. 그러나, 단계 심상은 지상 잠재적인 심상은 구조물에 다른 위치를 위한 대조 반대 위치에 주는 그러나, 구조물을 위한 일정한 더 높은 단계 신호를 보여줍니다. 따라서, 표면에 이오니아 지구를 결정하는 단계 신호만 사용하는 것은 부족할 수 있었습니다.

숫자 4. 단계 (a)와 지상 37% RH에 Nafion 115의 잠재력 (b) 심상.

CS-AFM 측정

이 실험에서는, CS-AFM 측정은 AFM를 흘러 관통하는 현재를 측정하는 1nA/V 전치 증폭기로 CS-AFM 원뿔꼴 두부를 사용하여 실행됩니다. 전도성 끝은 0.15 N/m의 명목상 봄 불변의 것 및 0.01 0.05 Ω*cm의 대량 저항력을 가진 Pt/Ti 입히는 Si 탐사기 (MikroMash에서 CSC-17)입니다. 각 측정이 취하기 전에, Nafion 견본 및 끝은 안정시키게 습도 수준이 하는 2 3 시간 동안 PicoAPEX 약실에서 침전하는 것이 허용됩니다. 숫자 2에서 설명되는 것과 같이, CS-AFM 측정 준비에 있는 Pt tip/PEM/Pt/C 윤곽은 필수적으로 소형 연료 전지를 형성하고 양성자 교환 막의 이오니아 수송 행동은 AFM 끝을 통해 수행 현재를 측정해서 공부될 수 있습니다.

50% RH에 Nafion 212를 위한 지세 그리고 현재 심상은 숫자 5.에서 보입니다. 수평한 방향에 따라서 단일 회선의 현재 단면도는 또한 숫자 5. 지세 심상의 세밀한 조사에서 제출되고 현재 심상은 측정한 현재와 지세 사이 조금 상호 관계를 제시합니다. 이것은 측정된 현재가 막에서 존재하는 이온 전도성 채널 통신로와 실제로 연관된다는 것을 표시합니다.

(a) 숫자 5. 지세, 현재 (b), 및 50% RH에 Nafion 212를 위한 현재 단면도 (c).

숫자 3 (b) 의 숫자 5에 있는 지상 잠재적인 심상 같이에 있는 현재 심상 (b)는 또한 표면의 나머지와 비교된 더 낮은 전도도가 있는 표면에 구조물에는 섬유 같이 다발을 제시하고. 구조물 섬유 같이 이들의 더 낮은 전도도는 그(것)들이 Nafion 막의 백본을 형성하는 소수성 중합체 지구에 대응한다는 것을 건의합니다. 이 결론은 또한 지상 잠재적인 측정으로 일관됩니다. 그러나, 표면에 이오니아 사이트를 측정하는 잠재적인 측정과는 다른 끝이 막을 통해서 달리는 이온 수송 채널 통신로와 접촉하여 일 때만, CS-AFM 측정은 전도성 이오니아 현재를 검출합니다 (i.e, CS-AFM는 막에서서만 "액티브한 채널 통신로"를 측정합니다). CS-AFM로 측정되기 이온 전도도는 끝과 표면 사이 접촉 지역에 달려 있기 때문에, 화상 진찰 도중 일정한 군대를 유지하는 것이 중요합니다.

이 실험에서 사용되기 끝은 끝 막 공용영역에 근해 초승달 모양의 가능한 실존 때문에 30 nm에 크기로 대략 20 또한이기 때문에, 명백하게 (각각이 확인하는 것은 불가능하 먼저 토론된 "근해 채널 통신로" 모형에 근거를 둔 크기로 몇몇 나노미터인) 개별적인 이온 채널 통신로를. 비록 CS-AFM 측정은 개별적인 이온 채널 통신로를 해결할 수 없습니다, 그럼에도 불구하고 통계적으로 무작위 이오니아 통신망 [4와] 의 막 표면 그리고 그들의 연결에 액티브한 이오니아 다발의 배급 분석을 위한 확실한 방법을 제안합니다. 배급에서, 양성자 채널 통신로의 조밀도 및 단일 통로의 전도력은 파생될 수 있습니다.

숫자 6은 36% RH와 48% RH에 Nafion 115를 위한 현재 배급을 보여줍니다. 습도 증가와 함께 현재 배급에 있는 변경은 습도가 증가하는 만큼, 새로운 액티브한 이오니아 다발의 대형 건의하고 기존 액티브한 이오니아 채널 통신로의 확장은 생길 수 있습니다. 새로운 다발의 다발 규모 그리고 대형에 있는 증가는 중요하게 다발 사이 상호 연락, 그리고 이렇게 전도도를 증가합니다.

36% RH (a)와 48% RH (b)에 Nafion 115를 위한 숫자 6. 현재 배급, 각각.

개요

연료 전지 제조에 사용된 Nafion 막은 통제되는 습도의 밑에 KFM 그리고 CS-AFM를 사용하여 공부됩니다. KFM 심상은 이오니아 다발 및 중합체 백본에 일치하는 막 표면에 친수성과 소수성 지구의 실존을, 보여줍니다. CS-AFM 측정은 상대 습도의 기능으로 막에 있는 액티브한 이오니아 채널 통신로의 배급에 대하여 믿을 수 있는 분석, 뿐 아니라 이온 전도도의 변경을 제공합니다.

참고

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/File:Nafion_structure.png

[2] K. Schmidt Rohr, Q. 첸, "Nafion 연료 세포 막에 있는 평행한 원통 모양 근해 nanochannels," 성격 Mater. 7 (2008년) 75-83.

[3] P.J. 제임스, J.A. Elliott, T.J. McMaster, H.H. Wills, J.M. 뉴톤, A.M.S. Elliotts, S. Hannaz, M.J. Miles은 AFM와 엑스레이 뿌려서, "Nafion의 수화," JMS 35 (2000년) 5111-5119 공부했습니다.

[4] X. Xie, O. Kwon, D. - M. 주, T. 밴 Nguyen, G. 린, "현지 양성자 교환 막의 탐사기 그리고 유도 배급," J. Phys. Chem. B 111 (2007년) 6134-6140.

[5] S. Magonov, J. 알렉산더는, "원자 군대 현미경 검사법을 진행했습니다: 현지 전기 속성의 탐구 측정," Keysight 기술 응용 주 (2008년).

Keysight 기술에 관하여

Keysight는 무선, 모듈의, 및 소프트웨어 해결책에 있는 혁신을 통해서 그것의 고객의 측정 경험을 변형시키는 것을 도와 글로벌 전자 측정 기술 및 시장 선두 주자 입니다. Keysight는 전자 장비의 디자인, 발달, 제조, 임명, 배치 및 작동에서 사용된 전자 측정 계기 및 시스템 및 관련 소프트웨어, 소프트웨어 디자인 공구 및 서비스 제공합니다. Keysight에 관하여 정보는 www.keysight.com에 유효합니다.

근원: Keysight 기술

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Date Added: Jun 15, 2011 | Updated: Dec 16, 2014

Last Update: 16. December 2014 07:34

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