Optimalizace svazku palivových článků s protonově výměnnou membránou

Bc. Jan Sláma

Master's thesis

Optimisation of fuel cells module with proton exchange membrane

Abstract:

Diplomová práce se zabývá optimalizací parametrů svazku vodíkových palivových článků s otevřenou katodou a protonově výměnnou membránu. Během řešení optimalizace byla využita komerční sestava membránové elektrody (MEA) a následně byly připraveny dva prototypy pomocí ultrazvukové sprejové depozice a magnetronového naprašování. Hlavním cílem práce bylo dosažení stabilních pracovních podmínek, které byly odladěny na základě změn v geometrii a uspořádání rozvodných kanálků elektrod či přívodu vzduchu do katody. V teoretické části byly popsány typy palivových článků a jejich porovnání s redoxními průtokovými baterie. Byla popsána termodynamika a elektrochemie u dějů v palivových článcích. K řešení byly využity testovací stanice společnosti LeanCat na kterých byla využita metoda elektroimpedanční spektroskopie a měření polarizačních křivek. K přípravě vlastních MEA jsme využili zařízení Sono-tek, které naneslo katalyzátorový inkoust se složením nanočástic uhlíku a platiny. Druhý prototyp z magnetronového naprašovače nevyužívá nanočástice uhlíku, ale nekorozivní CeO2 na vyleptaném povrchu membrány. Následná vrstva naprášené platiny je několikanásobně menší než u komerčních produktů. Výstupem této práce je navržení funkčního, výkonného, jednoduchého a zároveň bezpečného svazku palivových článků. Dále porovnání proudových a výkonových hustot komerčních a vlastních MEA. Membrány s ultrazvukově nanesenou vrstvou katalyzátoru dosáhly vyšších výkonů, než je nominální hodnota výkonu uváděná výrobcem u komerčních MEA. Prototyp membrány s magnetronově naprašovánou vrstvou 0,1 mg/cm2 platiny položil dobrý základ pro budoucí vývoj MEA s nižším obsahem platiny v katalyzátoru.

Abstract:

The aim of the master thesis is the optimisation of the fuel cells module with open cathode and proton exchange membranes. During the optimization commercial membrane electrode assembly (MEA) was used. We prepared two functional prototypes with catalyst by using ultra-sonic coating or magnetron sputtering. The main goal of the thesis is achieving stable working conditions which have been fine-tuned based on the changes of flow-field geometry and arrangement of air supply to the cathode. Types of fuel cells and their comparison to redox flow batteries are described in the theoretical part. Also, the thermodynamics and the electrochemistry of processes in the fuel cell is concluded. Test station made by the LeanCat company were used to create the electrochemical impedance and the polarization curves of the fuel cell. The preparation of first MEA prototype has been achieved by the Sono-tek device which was coated the Pt nanoparticles with carbon support on the surface of the membrane. Second prototype prepared by magnetron sputtering device does not use the carbon support. Instead of the carbon support there is a non-corrosive layer of CeO2 on the etched surface of the membrane. The subsequent sputtered layer of Pt is several times smaller than the one in the commercial products. The outcome of this work is a design of functional, powerful, simple and safe fuel cell module. Next is comparison of the current and power densities of the commercial and own MEA. The membranes that have ultra-sonic coated catalyst achieved better power results than a nominal power value that is declared by the commercial producer. The magnetron sputtered prototype with only 0,1 mg/cm2 of Pt laid a sufficient background for the future research of the MEA with a lower Pt loading in a catalyst layer.

Keywords

Palivový článek, vodík, MEA, magnetronové naprašování, ultrazvukové naprašování

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 1. 2021

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Jaromír Marek, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Master programme / field:
Nanotechnology / Nanomaterials