Besisukanti ypač lengva polimero elektrolito membranos degalų kamera NPP Azijos medžiagos

Besisukanti ypač lengva polimero elektrolito membranos degalų kamera NPP Azijos medžiagos

Anonim

Dalykai

  • Kuro elementai

Anotacija

Mes sukūrėme labai lankstų, ypač lengvą ir ploną polimerinį elektrolito membranos kuro elementą, kuris gali būti naudojamas kaip nešiojamas energijos šaltinis lanksčiai elektronikai. Norėdami pasiekti tokį lankstumą ir ypač lengvumą, mes pagaminome ploną srauto lauko plokštę, naudodamiesi šiluminio atspaudo būdu, ir sujungėme ją su lazeriu apdirbtu metalo srovės rinktuvu. 0, 992 mm storio ir 2, 23 g svorio oro kvėpuojančio kuro elemento bendra galia buvo 508 mW, o eksploatacinė savybė pablogėjo <10% po stipraus lenkimo nuovargio (200 pakartotinių posūkių). Šis didelis svorio svoris (0, 228 W g −1 ) ir tvirtas lenkimo patvarumas niekada anksčiau nebuvo stebimi. Itin lanksti architektūra leido kuro elementą valdyti S formos ar net suvynioto pavidalo be didelių eksploatacinių savybių praradimo. Mes pagaminome cilindrinį 10 degalų elementų pluoštą ir sėkmingai atlikome jo eksploataciją lauke, norėdami parodyti savo praktinį pritaikymą įvairiose srityse.

Įvadas

Galimybė gaminti mažus, lanksčius ir lengvus energijos šaltinius yra svarbiausia norint patenkinti didėjančią dabartinės ir būsimos nešiojamosios elektronikos paklausą. Lanksti elektronika laikoma kita visur esančia platforma dėl galimo jų panaudojimo kariuomenėje, nešiojamų kompiuterių ir išmaniųjų telefonų, biomedicininės diagnostikos prietaisų, sudedamųjų ekranų ir elektroninio popieriaus. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 Kadangi nešiojamajai elektronikai reikalinga ne tik moderniausia elektronikos inžinerija, bet ir lankstūs bei sulankstomi energijos šaltiniai, buvo dedamos didžiulės pastangos, kad būtų patenkintos tokios technologiniai reikalavimai, įskaitant lanksčius superkondensatorius, antrines ličio jonų baterijas ir kuro elementus. 11, 12, 13, 14, 15 Nors superkondensatoriai gauna didelį galios tankį paaukodami energijos kaupimą, o antrinės ličio jonų baterijos pasiekė teorinį maksimalų energijos tankį, degalų elementų technologija vis dar gali padidinti galią ir energijos tankį. 16 Todėl kuro elementų technologija galėtų būti naujos kartos nešiojamasis energijos šaltinis, skirtas lanksčiai ateities elektronikai.

Šiuo atžvilgiu kelis kartus buvo pranešta apie lankstų kuro elementų dizainą. Buvo pasiūlytos miniatiūrinės, lanksčios, labai mažo galios kuro elementų, pagrįstų mikroelektromechaninėmis sistemomis, technologijos, tačiau jos turi keletą praktinių apribojimų, tokių kaip sunkumai masteliu didinti ir didelės gamybos sąnaudos. 17, 18, 19, 20, 21 Vėlesniais tyrimais buvo bandoma išspręsti tokias problemas naudojant nebrangius, lengvus perdirbimo būdus, įskaitant minkštą litografiją, naudojant komerciškai prieinamus polimerus ir elektrai laidžias medžiagas. 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 Nors šios medžiagos pasirodė kaip nešiojamų energijos šaltinių, tokiose ataskaitose aprašytos technologijos nebuvo pakankamos pritaikyti dabartinėje ir būsimoje lanksčioje elektronikoje dėl storo ir sunkaus įrenginio. konstrukcija, maža galia, krovimo problemos ar didelis katalizatoriaus krovimas. Visų pirma, lenkimo sukeltas mechaninis įtempis, kurio storis tiesiškai didėja, gali sugadinti membranos-elektrodo mazgą (MEA) ir sumažinti ilgalaikį kuro elementų patvarumą. 22, 29 Todėl lanksčių kuro elementų geometrija turėtų būti pakankamai plona, ​​kad būtų išvengta deformacijų pažeidimo ir išlaikytas aukštas konstrukcijos laisvės laipsnis.

Šiame tyrime mes pranešame apie sukeičiamus ypač lengvus kuro elementus (RUFC) su dviem operacijų tipais: oru kvėpuojančiu (pasyviu) ir aktyviu. Oro kvėpuojančią RUFC sudarė anodo srauto lauko plokštė, anodo / katodo srovės kolektoriai, dujų difuzijos sluoksniai (GDL) ir katalizatoriumi padengta membrana, kurios bendras storis 0, 992 mm, o svoris - 2, 23 g. Aktyviajam RUFC tik vienas komponentas, katodo srauto lauko plokštė, buvo pridėtas prie orą kvėpuojančio RUFC. Taikydami terminio atspaudo metodą plona polikarbonato (PC) plėvele, mes pasiekėme tiksliai apibrėžtas srauto lauko plokštes, kuriose efektyvus reagentų pasiskirstymas ir didelis lankstumas. Be to, atliekant lengvą lazerinio apdirbimo procesą su nerūdijančio plieno lakštais, šiame darbe buvo panaudotas metalo srovės rinktuvas, pasižymintis puikiu dujų pralaidumu, elektros laidumu ir mažu lenkiamuoju standumu.

Eksperimentinės procedūros

Srauto lauko plonasluoksnių ir metalinių tinklelių srovės rinktuvo gamyba

Plonoji srauto lauko plėvelė buvo paruošta šiluminio atspaudo būdu. Pirmiausia mes panaudojome nerūdijančio plieno srauto kanalo formą, naudodami kompiuterinę skaitmeninio frezavimo staklę, kurios kanalo gylis, plotis ir aukštis yra atitinkamai 0, 5, 1 ir 1 mm. PC srautas (200 μm storio) buvo dedamas ant srauto kanalo nerūdijančio plieno formos ir karštu būdu presuojamas hidrostatiniu slėgiu (5 MPa) 150 ° C temperatūroje 10 min. Sumažinus temperatūrą iki 60 ° C, iš nerūdijančio plieno liejimo formos buvo pašalinta srauto kanalo formos plona plėvelė. Dujų įleidimo ir išleidimo angos srauto kanalo galuose buvo išgręžtos dvi skylės. Metalinis tinklelis buvo pagamintas naudojant plono nerūdijančio plieno lakšto (50 μm storio), kurio kvadratinių akių dydis 1 × 1 mm, pjaustymą lazeriu, o 20 nm storio aukso plėvelė buvo išpurškiama ant metalinio tinklelio naudojant komercinį purškimą. sistema (AT12, A-Tech sistema, Inčonas, Korėjos Respublika). Ar dujų, nuolatinės srovės (nuolatinės srovės) dulkinimo jėgos slėgis ir atstumas nuo taikinio iki substrato buvo atitinkamai 0, 67 Pa, 100 W ir 8 cm.

MEA paruošimas ir ypač lengvo valcavimo kuro elemento gamyba

MEA buvo parengta atlikus šiuos veiksmus. Pirmiausia kaip protonus laidus elektrolitas be išankstinio apdorojimo buvo panaudota „Nafion 212“ membrana (DuPont, Wilmington, DE, JAV) ir pritvirtinta prie siurbimo tipo kaitlentės, palaikant 80 ° C temperatūrą. Katalizatorius anodo ir katodo katalizatoriaus sluoksniams buvo paruoštas maišant dejonizuotą vandenį (18, 2 MΩ cm, Millipore), 5 masės% Nafiono tirpalą (DuPont) ir izopropilo alkoholį (Sigma-Aldrich, St Louis, MO, JAV) su 40 masės. % Pt / C (Johnsonas Matthey, Royston, JK). Paruoštas katalizatoriaus rašalas buvo sumaišytas naudojant sūkurį ir ultragarsinį apdorojimą, o po to purškiamas ant pritvirtintos „Nafion 212“ membranos (DuPont) anodo ir katodo pusių. Pagaminto katalizatoriumi dengtos membranos Pt apkrova kiekviename elektrode buvo 0, 45 mg cm- 2, o MEA aktyvūs geometriniai plotai buvo nustatyti 9, 0 cm2. Po šio proceso katalizatoriumi padengta membrana buvo dedama tarp dviejų GDL (anglies popieriaus 10BC, SGL Carbon, Vysbadenas, Vokietija) ir karšto spaudimo metu hidrostatiniame slėgyje (10 MPa) esant 120 ° C 10 min. Galiausiai itin lengvas sukama kuro elementas buvo surinktas sukraunant srauto lauko ploną plėvelę, auksu dengtą metalinį tinklelį ir naminį MEA, naudojant ploną lipnią sandarinimo juostą (50 μm storio, 3 M). Šis agregatas buvo karšto presavimo esant hidrostatiniam slėgiui (1 MPa) esant 60 ° C, kad būtų geriau sukibtas kiekvienas komponentas.

Itin lengvo sukamo kuro elementų pluošto pagaminimas

Plokštuminis kuro elementų pluoštas buvo pagamintas naudojant 10 kuro elementų, išdėstytų dviejų kolonų × penkių eilių struktūra. Vienos kuro elemento anodas buvo sujungtas su kitu kuro elementu, siekiant padidinti bendrą įtampą serijiniu ryšiu. Šis plokščias kuro elementų pluoštas buvo tyčia sulenktas į cilindro formą. Sausas H 2 buvo tiekiamas į cilindrų pavidalo kuro elementų kamino vidų. Demonstruojant degalų elementų kaminą, veikiantį lauke, buvo naudojama H2 talpinančio metalo hidrido kasetė (Hydrostick, Horizon, Singapore).

Elektrocheminis apibūdinimas

Pagaminta degalų kamera buvo pritvirtinta ant vazelės, kad ją sulenktų, ir spektakliai buvo matuojami dviem pavidalais: plokščia ir sulenkta 2 cm spinduliu. Tiek H2, tiek oro srautas į kuro elementą buvo 200 cm 3 per minutę. Kiekvienoms dujoms buvo tiekiama 94% santykinė oro drėgmė (RH) esant 25 ° C. Drėgno / sauso ciklo bandymas buvo atliktas H2 ir oro dujų RH reikšmes keičiant nuo 100 iki 0%, o atvirosios grandinės įtampą (OCV) ir galios tankį esant 0, 6 V, palyginti su atvirkštinio vandenilio elektrodu (RHE). tuo pačiu metu buvo registruojami aktyvūs RUFC. Kiekvienas šlapias arba sausas žingsnis buvo palaikomas 10 min., Ir ciklas buvo kartojamas šešis kartus. Baigęs paskutinį ciklą, RUFC 20 minučių buvo eksploatuojamas sausomis dujomis, kad būtų galima ištirti sauso veikimo galimybes. Oru kvėpuojantis RUFC buvo eksploatuojamas atmosferos sąlygomis (oro drėgnumas 30% esant 25 ° C). Vieno elemento našumas ir atitinkami elektrocheminės varžos spektrai (EIS) buvo išmatuoti naudojant „Solartron 1260/1287“ („Solartron Analytical“, Hampšyras, JK). Prieš matuojant našumą, ląstelė buvo suaktyvinta, pakartotinai išmatuojant poliarizacijos kreives nuo OCV iki 0, 25 V, esant potenciaodinaminiam režimui, esant 15 mV / s įtampos bangos svyravimui. Iškart išmatavus poliarizacijos kreivę, išmatuoti atitinkami EIS duomenys esant 0, 5 V santykiniam RHE, naudojant sinusoidinį įėjimą, kurio amplitudė yra 30 mV, kad būtų galima stebėti dabartinį atsaką. Dažnių diapazonas buvo nuo 10 iki –10 –1 Hz, nuo aukšto iki žemo. Tuomet šiame sąmoningame lenkimo procese RUFC buvo pakartotinai sulenktas 10, 100 ir 200 kartų. Po pakartotinio lenkimo RUFC buvo apibūdinamas dar kartą, kaip aprašyta aukščiau.

Taip pat buvo įvertintas ilgalaikis aktyvaus RUFC patvarumas. Ilgalaikio eksploatavimo metu poliarizacijos kreivės buvo pakartotinai matuojamos nuo OCV iki 0, 25 V potencialodinaminiu režimu, esant 15 mV per s bangos greičiui. Visiškai sudrėkintos H2 ir oro dujos buvo tiekiamos atitinkamai į aktyvaus RUFC anodą ir katodą, o bandymas buvo pakartotas 120 valandų. Po 120 valandų nepertraukiamo veikimo buvo ištirti aktyviojo RUFC OCV ir maksimalūs galios tankiai.

Rezultatai ir DISKUSIJA

1a – d paveiksluose pavaizduota šių RUFC dviejų etapų gamybos procedūra: (a) srautinio lauko plonos plokštės pagaminimas šiluminiu būdu atspaudžiant PC plėvelėmis ir b) RUFC komponentų sudėjimas ir surinkimas. Orui kvėpuojančiam RUFC buvo naudojama plonoji anodo srauto lauko plokštė, anodo / katodo metalo tinklelio srovės rinktuvai ir pagal užsakymą pagamintas MEA. Aktyviajam RUFC prie oro kvėpuojančio RUFC buvo pridėta katodo srauto lauko plokštė, kad būtų kontroliuojamas oro srautas į kuro elementą (daugiau informacijos žr. „Eksperimento procedūros“). 1e – g paveiksluose pateikiami pagamintų gaminių skaitmeninių fotoaparatų vaizdai po kiekvieno žingsnio. Srauto kanalo pavidalo (3 × 3 cm) PC plėvelė (200 μm storio) pasižymėjo dideliu struktūrinio modelio ištikimumu dėl terminio atspaudo metodo naudojimo. Bendras RUFC dydis buvo nustatytas 5, 5 × 5, 5 cm, kad būtų galima tvirtai surinkti ir sumažinti dujų perėjimą užtikrinant pakankamą klijų plotą (1e pav.). Ši skaidri, didelės apimties ir plono modelio PC plėvelė tarnavo kaip srauto lauko plokštė, leidžianti gaminti kuro elementus labai lanksčiai, pasižymint didesne galia vienam svoriui ir gaminant nebrangiai (1e pav.). Srovės kolektorių sluoksnis su plonu nerūdijančio plieno tinkleliu (linijos plotis 100 μm, akies kraštinės ilgis 1 × 1 mm ir bendras storis 50 μm) užtikrina gerą lankstumą ir didelį dujų pasklidumą. Be to, aukso danga iš vienos nerūdijančio plieno tinklelio pusės (20 nm storio) užtikrina geresnį elektrinį kontaktą tarp LDK ir srovės kolektoriaus. Mūsų RUFC sistemos negalėjo panaudoti išorinio slėgio, kurį sukelia įprastų kuro elementų tipinis galinės plokštės užspaudimas; 30 ir todėl karštai spaudėme katalizatoriu dengtą membraną tarp dviejų GDL, kad išvengtume dislokacijos lenkimo ir riedėjimo metu. Be to, ši karšto presavimo procedūra sumažina vidinį MEA atsparumą ir bendrą storį. 31 Užbaigtas oro kvėpavimas ir aktyvūs RUFC parodė gerą prietaiso vientisumą, kad būtų galima jį lanksčiai naudoti (1f ir g paveikslai). Papildomos informacijos apie šių prietaisų gamybą galite rasti skyriuje „Eksperimentinės procedūros“.

Image

RUFC gamybos proceso scheminės iliustracijos. a ) Plonos srauto lauko plokštės pagaminimas šiluminiu būdu atspaudžiant PC plėvele. ( b ) srautinio kanalo modelio kompiuterio plėvelė. c, d ) orą kvėpuojančių (viršutinių) ir aktyvių RUFC (apatinių) komponentų sukravimas ir surinkimas. Skaitmeninių fotoaparatų atvaizdai, kuriuose vaizduojama ( e ) srautinio kanalo modelio kompiuterio plėvelė ir f ) užpildytas oro kvėpavimas ir ( g ) aktyvūs RUFC. CCM, katalizatoriumi dengta membrana; GDL, dujų difuzijos sluoksnis; RUFC, lengvai pasukamas degalų elementas.

Visas dydis

2a – d paveikslai rodo poliarizacijos kreives ir atitinkamą EIS. Pradinės aktyvaus ir orą kvėpuojančio RUFC pradinės OCV buvo atitinkamai 1, 00 ir 0, 960 V, tai yra artima teorinei H 2air kuro elemento įtampai. Todėl RUFC anodas ir katodas buvo visiškai poliarizuoti H2 ir oro, o dujų barjeras buvo gerai uždarytas. 32, 33 H 2 ir oro stechiometriniai skaičiai anode ir katode atitinkamai buvo 11, 5 ir 4, 8, nes RUFC veikia esant 2, 5 A (didžiausia išmatuota srovė). Tokių aukštų stechiometrijos skaičių priežastis yra įvertinti maksimalų naujai sukurto kuro elemento našumą. Aktyviojo RUFC našumas buvo didesnis nei orą kvėpuojančio elemento, kurio maksimalūs galios tankiai buvo atitinkamai 89, 2 (iš viso 803 mW) ir 56, 4 mW cm −2 (iš viso 508 mW), kai jie buvo sulenkti 2 cm spinduliu (2a ir 2 pav.). b). Šios vertės yra todėl, kad oro tiekimas aktyviame RUFC yra gausus dėl priverstinės konvekcijos, todėl padidėja H 2 ir O 2 difuzija į kiekvieną GDL, ko negalima tikėtis iš natūralios konvekcijos orą kvėpuojančiame RUFC, kaip buvo pastebėta anksčiau. . 34, 35

Image

( A ) aktyvaus ir ( b ) kvėpuojančio RUFC poliarizacijos kreivės prieš ir po pakartotinio lenkimo bandymo ir po jo bei atitinkami elektrocheminės varžos spektrai esant 0, 5 V vs RHE ( c, d ). E ) aktyviųjų ir ( f ) orą kvėpuojančių RUFC atvirosios grandinės įtampų ir didžiausių galios tankių palyginimas prieš ir po pakartotinio lenkimo bandymo. RUFC, lengvai pasukamas degalų elementas.

Visas dydis

Ilgalaikis atsparumas pakartotiniam lenkimui yra vienas iš lemiamų veiksnių visoje lanksčioje elektronikoje. Todėl mes atlikome pakartotinius lenkimo testus, kad patikrintume jų nuovargio patvarumą. Sudaryti keturi atvejai (0, 10, 100 ir 200 lenkimo ciklų) ir ištirtos kiekvieno atvejo elektrocheminės charakteristikos. Tiek aktyvaus, tiek orą kvėpuojančio RUFC atlikimas reikšmingai nesumažėjo kartojant lenkimą (2a ir b paveikslai). Net po 200 lenkimo ciklų maksimalus galios tankis tiek aktyviame, tiek orą kvėpuojančiame RUFC sumažėjo <10%. Nors atrodo, kad sukaupti lenkimo ciklai šiek tiek sumažina orą kvėpuojančio RUFC OVK (0, 960–0, 890 V), manoma, kad toks sumažėjimas būtų įvykęs dėl blogėjančios sandarinimo būklės lenkiant nuovargį. Tačiau spektaklio kitimas rodo, kad toks OCV sumažėjimas nėra dominuojantis RUFC veikimo veiksnys. Tiek aktyvus, tiek orą kvėpuojantis RUFC rodė aukštą OCV, didesnį kaip 0, 9 V, o tai įrodo, kad mūsų RUFC yra gerai suprojektuoti ir kad jų veikimo metu nebuvo jokių sandarinimo ar pakavimo problemų. 32 Be to, pakartotinio šlapio / sauso bandymo rezultatai dar labiau įrodo sandarumo ir pakuotės tvirtumo pranašumą, kai didelės OCV vertės yra didesnės nei 0, 95 V, o tai rodo, kad bandymo metu nebuvo susidarę įtrūkimai ir nebuvo nutekėtų dujų (papildomas S1 paveikslas). Aktyvaus RUFC galios tankis esant 0, 6 V ir RHE drėgnomis sąlygomis (oro drėgnis 100% oro ir H 2 dujų) yra daug didesnis nei esant sausoms sąlygoms (RH 0% oro ir H 2 ), ir šis skirtumas išliko per pakartotinius šlapio / sauso bandymus. Iš karto po šlapio / sauso bandymo 110 min. RUFC veikia net be didelių nuostolių, dirbant nuolat sausomis sąlygomis (papildomas S1 paveikslas). Šis rezultatas rodo, kad kiti komponentai veikia be jokių problemų. Kiek mums yra žinoma, ankstesnėje literatūroje buvo pranešta tik apie vieną pakartotinį lanksčių kuro elementų lenkimo bandymą 22, kur tos kuro elemento našumas nuolat mažėjo lenkiant> 120 kartų. Taigi šio tyrimo metu pagaminti RUFC yra struktūriškai tvirti ir todėl gali ištverti išorinę jėgą, kurią sukuria, kai naudojama kaip lanksti elektronika, ypač lyginant su ankstesnėmis lanksčiomis kuro elementais. Be lenkimo, buvo išbandytas ir elektrocheminis patvarumas (papildomas S2 paveikslas, papildoma S1 lentelė). Buvo pastebėta, kad net po 120 valandų nepertraukiamo veikimo aktyviojo RUFC OCV išliko labai didelis (virš 0, 96 V), o tai rodo, kad abu aktyvaus RUFC elektrodai buvo gerai poliarizuoti ir kad nebuvo nuotėkio ar pakavimo problemų. Be to, maksimalus aktyvaus RUFC galios tankis taip pat buvo išlaikytas 96 veikimo valandas ir po 120 valandų sumažėjo tik 14%, palyginti su įprasto polimero elektrolito membranos kuro elemento elementais, o tai rodo aukštą ilgalaikį mūsų gaminio patvarumą. RUFC. Dėl dviejų veiksnių: serpentino kanalo struktūros ir kompiuterio kontaktinio kampo reikšmingo praradimo dėl potvynio nebuvo (žr. Papildomus S3 ir S4 paveikslus bei papildomą informaciją papildomoje informacijoje).

Norint kiekybiškai ištirti pakartotinio lenkimo poveikį, buvo išmatuota EIS, esant 0, 5 V ir RHE (2c ir d paveikslai). Ominės varžos ( R omai ) teoriškai sukuriamos iš jonų pernešimo pasipriešinimo (Nafion membranos (DuPont) ir jonomerio katalizatoriaus sluoksnyje) ir išorinio elektrinio pasipriešinimo (birios medžiagų elektrinės varžos ir kontaktinės varžos tarp jų), kurį rodo pusiau apskritimo perjungimas į EIS su tikrąja ašimi aukštų dažnių diapazone. Krūvio perdavimo atsparumas ( R ct ) taip pat apskaičiuojamas naudojant puslankio skersmenį vidutinio ir žemo dažnio diapazonuose, kurį daugiausia sukelia elektrocheminis pasipriešinimas katodo reakcijai. 36, 37 Šie spektrai aiškiai parodo, kodėl aktyvaus RUFC našumas yra aukštesnis nei ore kvėpuojančiojo. Aktyviojo RUFC ir R, ir R ct yra žemesni nei orą kvėpuojančiojo. Mažesnis aktyviojo RUFC R omas, palyginti su oru kvėpuojančiu, kyla dėl konstrukcijos vientisumo dėl to, kad yra katodo srauto lauko plokštė. Jei aktyvusis RUFC yra sulenktas, jis sukels didesnį MEA gniuždymo įtempį nei orą kvėpuojantis ir sumažins kontaktinį atsparumą visose sudedamosiose dalyse. Tokius reiškinius galima rasti kituose tyrimuose. 22, 23 Apatinis aktyviojo RUFC Rc yra geresnis oro tiekimas priverstinės konvekcijos būdu aktyviame RUFC nei natūrali oro konvekcija orą kvėpuojančiame RUFC. 34, 35 Be to, žemesnis RH oro ore kvėpuojančiame RUFC, tiesiogiai veikiant LDK aplinkos orui, gali būti dar viena priežastis, dėl kurios R Ohm ir R ct yra didesnės. Palyginus R omo ir R ct reikšmes prieš ir po lenkimo bandymo, nustatyta, kad abiejų RUFC R oh ir R ct vertės kinta tik šiek tiek, atsižvelgiant į aukščiau aptartus veikimo pokyčius (2e ir f paveikslai). ). Pranešama, kad lenkimo sukeltas mechaninis įtempimas pažeidžia ir ardo MEA. 22, 29 Atsižvelgiant į tai, kad deformacija yra proporcinga bendram storiui, RUFCs lenkimo ilgaamžiškumas atsiranda dėl jų ypač plonos konstrukcijos ir stiprių metalinių tinklelių srovės kolektorių, turinčių mažą lenkimo standumą. Kadangi ankstesnių tyrimų metu lanksčių kuro elementų storis buvo 12 mm, susidarys daugiau deformacijų, todėl lenkimo patvarumas nebuvo aukštos kokybės. 22

Norint palyginti vidinį RUFC deformacijų pasiskirstymą su anksčiau praneštais lanksčių kuro elementų pasiskirstymais, storų ir plonų kuro elementų šoninis deformacijų pasiskirstymas buvo apskaičiuotas naudojant COMSOL baigtinių elementų analizę (3 pav.). RUFC deformacija ties vidurio linija, kurioje yra MEA, yra aiškiai maža (<1%), o storojo kuro elemento deformacija yra palyginti didelė (~ 10%). Kai srauto lauko plokštelėse naudojamos storos elastingos medžiagos (pavyzdžiui, polidimetilsiloksanas (PDMS)), kad būtų pasiektas didelis lankstumas ir suderinamumas, manoma, kad lenkimo sukelta šoninė deformacija yra neišvengiama dėl jų mažesnio Youngo modulio ir storio. Kai lankstūs kuro elementai yra gaminami iš plonų ir tvirtų plastikinių plėvelių (pavyzdžiui, PC plėvelės, kaip panaudotos šiame tyrime), lenkimo sukeltos šoninės deformacijos gali būti veiksmingai slopinamos ypač plona struktūra ir santykinai dideliu Youngo moduliu. Panašūs reiškiniai, susiję su storiu, Youngo moduliais ir su jais susijusiomis lanksčiosios elektronikos charakteristikomis, buvo aprašyti kitur. 38, 39 Išsamus modeliavimo procesas ir tolesnis RUFC struktūrinių pranašumų aptarimas yra paaiškinti papildomos informacijos S5 paveiksle.

Image

a ) Aktyvaus RUFC skaitmeninio fotoaparato vaizdas, kai jis sulenktas. ( b, c ) 1 mm storio AK ir 12 mm storio PDMS pagrindu pagamintų lanksčių kuro elementų vidinio deformacijos skaičiavimo rezultatai. PC, polikarbonatas; RUFC, lengvai pasukamas degalų elementas.

Visas dydis

4a ir b paveikslėliuose pateikiami skaitmeninių fotoaparatų vaizdai, parodantys laisvai stovinčio ore kvėpuojančio RUFC svorį ir storį. Bendras svoris ir storis yra atitinkamai ~ 2, 23 g ir <1 mm, tai patvirtina, kad mūsų RUFC yra lengvas ir ypač plonas. Aktyviųjų ir orą kvėpuojančių RUFC savybės, atsižvelgiant į jų galią pagal svorį ir katalizatoriaus apkrovą, taip pat lyginamos su ankstesnėmis ataskaitomis apie lanksčius kuro elementus (4c ir d paveikslai). Aktyvusis ir orą kvėpuojantis RUFCs rodikliai atitinkamai padidėja> 2, 5 ir 5 kartus, palyginti su anksčiau praneštais lanksčiais kuro elementais. Norėdami palyginti galimybę padidinti šių RUFC dydį su anksčiau praneštais rezultatais (4e ir f paveikslai), čia pateikiame naują tūrio efektyvumo koeficientą, „plotą padalintą iš storio“. RUFC charakteristikos aiškiai leido pasiekti ne tik didžiausią galią pagal svorį, bet ir puikų tūrinį efektyvumą tiek aktyvioms, tiek orą kvėpuojančioms lanksčioms kuro elementams. 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29

Image

Skaitmeninių fotoaparatų vaizdai, vaizduojantys a ) orą kvėpuojančio RUFC svorį ir b ) storį. RUFC palyginimas su kitomis lanksčiomis kuro ląstelėmis iš kitų tyrimų, atsižvelgiant į galią pagal svorį, galią vienam katalizatoriaus apkrovai ir plotą storiui. c, d ) aktyviems ir ( e, f ) orą kvėpuojantiems RUFC. RUFC, lengvai pasukamas degalų elementas.

Visas dydis

Dėl ypač plonos ir labai lanksčios konstrukcijos RUFC galima lengvai deformuoti į bet kurią norimą formą. Tiesa, kad jis vadinamas „sukamu“, RUFC gali būti apvyniotas (5a paveikslas) arba iškraipytas į S formą (5b paveikslas), nedarant reikšmingos įtakos jo našumui, palyginti su neiškreiptomis vertėmis (tai yra, didžiausias galios tankis 54, 2 ir Atitinkamai 48, 1 mW cm −2 apvyniotos ir S formos pavidalu, 5c pav.). Šis aukštas struktūrinės laisvės laipsnis leidžia naudoti įvairiose aplinkose, tokiose kaip epiterminiai, nešiojami ar struktūriškai sudėtingi prietaisai.

Image

Įvairių formų skaitmeninių fotoaparatų RUFC vaizdai. a ) susuktas ir b ) S formos. c ) apvyniojimo ir S formos RUFC poliarizacijos kreivės. RUFC, lengvai pasukamas degalų elementas.

Visas dydis

Be to, mes sukūrėme nešiojamą kaminą iš 10 orą kvėpuojančių RUFC (6a pav.). Kuro elementų kamino forma buvo tyčia suprojektuota taip, kad būtų apvali, kad būtų parodytas jos konstrukcinis įgyvendinamumas. Įstatomas įtaisas įkrovė išmanųjį telefoną ir tuo pačiu metu valdė elektrinį LED ventiliatorių, sėkmingai įrodydamas jo praktinį įgyvendinamumą (6b paveikslas, papildomą filmo klipą galima rasti internete). Šis kuro elementų kaminas buvo dar labiau nešiojamas naudojant metalo hidrido kasetę H 2 laikyti. Ši nešiojama kamino sistema taip pat sėkmingai veikė lauke esantį elektrinį LED ventiliatorių (6c paveikslas), kurio išmatuota OVP buvo 9, 71 V, o maksimali galia - 2, 30 W (6d paveikslas), kai ji veikia kambario temperatūroje (25 ° C) su H2 ir aplinkos oru. Ši galia yra mažesnė už vertę, apskaičiuotą pagal maksimalų 56, 4 mW cm − 2 galios tankį 2b paveiksle, nes moduliacija nebuvo optimizuota siekiant užkirsti kelią srovės nutekėjimui ar nehomogeniniam H 2 pasiskirstymui, o labai sausas H 2 (laikomas metalo hidrido kasetė). 40 Vis dėlto galios lygis, tinkamas naudoti praktinei elektronikai, suteikia mums papildomos informacijos apie naujo tipo nešiojamus ir lanksčius energijos šaltinius.

Image

Skaitmeninių fotoaparatų vaizdai iš: a ) nešiojamo 10 oro kvėpuojančių RUFC kaminų, b ) išmaniojo telefono įkrovimo ir elektrinio LED ventiliatoriaus su rietuve veikimo demonstravimo ir ( c ) elektrinio LED ventiliatoriaus su rietuve veikimo lauke ir H2 kaupiantis metalo hidrido užtaisas. d ) kamino poliarizacijos kreivė. RUFC, lengvai pasukamas degalų elementas.

Visas dydis

Išvados

Mes pademonstravome RUFC gamybą ir praktinį pritaikymą lanksčiai elektronikai. Naudodami tiksliai apibrėžtas plonas srauto lauko plokštes, labai laidžius ir dujoms pralaidžius srovės rinktuvus bei pasirinktinius karšto presavimo MEA, mes sėkmingai sukūrėme ypač lengvus ir plonus kuro elementų įrenginius. Gaminant RUFC buvo rodomos didžiausios galios svorio masės vertės tarp anksčiau praneštų lanksčių kuro elementų ir stabilus veikimas net esant įvairioms deformuotoms formoms, tokioms kaip suvyniotos ir S formos geometrijos. Be to, buvo pagamintas nešiojamasis, lankstus plokštuminis pluoštas, sudarytas iš 10 orą kvėpuojančių RUFC ir naudojamas kaip energijos šaltinis įprastiems elektroniniams prietaisams krauti ir valdyti. Taikydami šį naują požiūrį, mūsų RUFC ne tik yra potencialūs naujos kartos nešiojamieji energijos šaltiniai, bet ir siūlo naujus būsimos lanksčios elektronikos medžiagų ir sistemų dizainus.

Papildoma informacija

„Word“ dokumentai

  1. 1.

    Papildoma informacija

  2. 2.

    Papildoma informacija

Vaizdo įrašai

  1. 1.

    Papildomas filmas

    Papildoma informacija pridedama prie dokumento „NPG Asia Materials“ svetainėje (//www.nature.com/am)