Använda KFM och CS-AFM med Environmental Control i Fuel Cell Research

Genom Shijie Wu och Da-Ming Zhu

Ämnen som tas upp

Inledning

Den här artikeln illustrerar experimentuppställning för Kelvin kraft mikroskopi (KFM) och nuvarande avkänning atomkraftsmikroskopi (CS-AFM) imaging under kontrollerade fukt med hjälp av en Agilent 5500 AFM -systemet. Resultaten från studien av en proton utbyte membran med hjälp av KFM och CS-AFM under kontrollerade luftfuktighet presenteras också här. Dessa resultat visar att KFM och CS-AFM är kraftfulla verktyg för att studera ytans egenskaper och den joniska ledningsförmågan hos Proton Exchange membran används inom bränslecellsteknik.

Fuel Cell Grunderna

Bränsleceller är en av de viktiga tekniker som erbjuder ren energi med högre konvertering effektivitet. Bränsleceller används för att driva många elektriska applikationer - från bärbara enheter till bilar och fartyg. Men två stora utmaningar återstår på vägen mot full kommersialisering av bränslecellsteknik: (1) att minska kostnaderna så att det blir ekonomiskt konkurrenskraftig med befintliga Power Technologies och (2) för att öka hållbarhet och livslängd bränslecellsystem. Därför har forskare fokuserar sina ansträngningar på att utveckla och karakterisera material som kan bidra till att uppfylla dessa krav.

En solid-membran bränslecell är den mest lovande systemet för lätta transporter och bärbar elektronisk utrustning. I detta system är en proton utbyte membran (PEM), även känd som en polymer elektrolyt membran, inklämt mellan två elektroder. Det PEM tillåter bara H ⁺ att passera för att slutföra krets för strömmen. Därför är mekaniska och termiska egenskaper samt joniska ledningsförmåga PEM spelar alla en viktig roll i utförandet av bränslecellen. En PEM används i stor utsträckning fast membranet bränsleceller är Nafion, en perfluorerade polymer som kombinerar ett hydrofobt Teflon-liknande ryggrad med hydrofila joniska sidan grupper.

Nafion Struktur

Även struktur Nafion har dragit uppmärksamhet från många forskare, är en detaljerad bild svårt att få eftersom det ändras med förhållandet mellan de två komponenterna. En färsk modell baserad på små vinklar röntgenspridning experiment tyder på att Nafion Membranet består av "vatten-kanaler" som bildas av hydrofila sulfonsyragrupper stöds av hydrofob polymer stamnät och crystallites Nafion [2]. Den kemiska struktur Nafion membranet och "vatten-kanal"-modellen illustreras i figur 1.

Figur 1. Kemisk struktur och "vatten-kanal" modell av Nafion membran. Bilder anpassat från offentligt område med tillstånd från författaren [1].

Den "vatten kanaler" ge passerar för små katjoner som protoner, medan stoppa anjoner och elektroner. Diametern på dessa vatten kanaler beror på vatteninnehållet i membranet, i genomsnitt 2 till 3 nm vid 20% RH och ökar med jämvikt relativ luftfuktighet. Som ett resultat beror joniska ledningsförmåga Nafion på hydrering nivå av membranet, och kontroll av korrekt hydrering av PEM i en bränslecell har blivit en utmaning i konstruktion. Därför är det oerhört viktigt att förstå beroende av joniska transport-egenskapen i ett PEM på sin hydrering tillstånd.

Svepspetsmikroskopi (SPM) har tillämpats för att studera morfologi, den joniska strukturer domänen och den joniska ledningsförmågan hos Proton Exchange membran [3, 4]. Eftersom den teoretiska modellen antyder [2] består Nafion ytan av hydrofoba regioner (motsvarande polymer ryggraden) och hydrofila regioner (motsvarande den självorganiserade joniska sidan grupper).