Utnytte KFM og CS-AFM med Environmental Control i Fuel Cell forskning

Ved Shijie Wu og Da-Ming Zhu

Emner som dekkes

Innledning

Denne artikkelen illustrerer det eksperimentelle oppsettet for Kelvin force mikroskopi (KFM) og strøm-sensing atomic force mikroskopi (CS-AFM) avbildning under kontrollerte fuktighet ved hjelp av en Agilent 5500 AFM system. Resultatene fra studien av et proton bytte membran med KFM og CS-AFM under kontrollerte luftfuktighet er også presentert her. Disse resultatene viser at KFM og CS-AFM er kraftige verktøy for å studere overflaten egenskaper og ionisk ledningsevne av proton utveksling membraner som brukes i brenselcelleteknologi.

Fuel Cell Grunnleggende

Brenselceller er blant de viktigste teknologiene som tilbyr ren energi med høyere konvertering effektivitet. Brenselceller er vant til makten mange elektriske applikasjoner - fra bærbare enheter til biler og marine fartøyer. Men to store utfordringer gjenstår på veien til full kommersialisering av brenselcelleteknologi: (1) for å redusere kostnadene slik at det blir økonomisk konkurransedyktig med eksisterende kraft teknologier og (2) for å øke holdbarheten og levetiden til brenselcelle-systemer. Derfor har forskere vært fokus deres innsats på å utvikle og karakterisere materialer som kunne hjelpe i å møte disse kravene.

En solid-membran brenselcellen er det mest lovende systemet for lette transport og bærbare elektroniske enheter. I dette systemet er et proton bytte membran (PEM), også kjent som en polymer elektrolytt membran, klemt mellom to elektroder. Den PEM tillater bare H ⁺ passere for å fullføre krets for strømmen. Derfor, den mekaniske og termiske egenskaper samt ionisk ledningsevne av PEM alle spiller en viktig rolle i utførelsen av brenselcellen. En PEM mye brukt i solid-membran brenselceller er Nafion, en perfluorerte polymer som kombinerer en hydrofob Teflon-aktig ryggrad med hydrofile ionisk side grupper.

Nafion Struktur

Selv om strukturen i Nafion har trukket oppmerksomheten fra mange forskere, er et detaljert bilde vanskelig å skaffe fordi det endringer med forholdet mellom de to komponentene. En fersk modell basert på små-vinkel x-ray spredning eksperimenter antyder at Nafion membranen består av "vannkanaler" dannet av hydrofile sulfonic gruppene støttet av hydrofobe polymer infrastruktur og Nafion krystallitter [2]. Den kjemiske strukturen av Nafion membranen og "vann-kanalen" modellen er illustrert i figur 1.

Figur 1. Kjemisk struktur og "vann kanal" modell av Nafion membran. Bilder tilpasset fra public domain med tillatelse fra forfatter [1].

Den "vannkanaler" gir passerer for små kationer som protoner, mens stopper anioner og elektroner. Diameteren på disse vannkanaler avhenger av vanninnholdet i membranen, gjennomsnitt ca 2 til 3 nm ved 20% RH, og øker med likevekt relativ fuktighet. Som et resultat avhenger ionisk ledningsevne av Nafion på hydration nivå av membranen, og kontroll av riktig hydrering av PEM i en brenselcelle er blitt en utfordring i engineering design. Derfor er det kritisk viktig å forstå avhengighet av ioniske transport tilhører en PEM på sin hydrering tilstand.

Scanning probe mikroskopi (SPM) har vært anvendt for å studere morfologi, den ionisk domenenavn strukturer, og ionisk ledningsevne av proton utveksling membraner [3, 4]. Som den teoretiske modellen antyder [2], består Nafion overflate hydrofobe regioner (tilsvarende polymer ryggraden) og hydrofile regioner (tilsvarer selvorganisert ionisk side grupper).