En rullbar ultralätt polymerelektrolytmembranbränslecell | npg asia material

En rullbar ultralätt polymerelektrolytmembranbränslecell | npg asia material

Anonim

ämnen

  • Bränsleceller

Abstrakt

Vi har utvecklat en mycket flexibel, ultralätt och tunn polymerelektrolytmembranbränslecell som kan användas som en bärbar kraftkälla för flexibel elektronik. För att uppnå sådan flexibilitet och ultralätthet tillverkade vi en tunn flödesfältplatta med en termisk intrycksprocess och kombinerade den med en laserbearbetad metallströmkollektor. Den luftande andningsbränslecellen, med en tjocklek av 0, 992 mm och en vikt av 2, 23 g, visade en total effekt på 508 mW och en prestandadegradering på <10% efter svår böjtrötthet (200 upprepade böjningar). Denna höga effekt per vikt (0, 228 W g −1 ) och robust böjbarhet har aldrig observerats tidigare. Den mycket flexibla arkitekturen möjliggjorde drift av bränslecellen i S-form eller till och med i upprullad tillstånd utan någon betydande prestandaförlust. Vi har tillverkat en cylindrisk plan stapel med 10 bränsleceller och framgångsrikt genomfört dess utomhusdrift för att demonstrera dess praktiska tillämpningar inom olika områden.

Introduktion

Möjligheten att tillverka små, flexibla och lätta kraftkällor är nyckeln för att klara den ökande efterfrågan på nuvarande och framtida bärbar elektronik. Flexibel elektronik betraktas som den nästa allestädes närvarande plattformen på grund av deras potentiella tillämpningar i militären, bärbara datorer och smartphones, biomedicinsk diagnostisk enhet, roll-up displayer och elektroniskt papper. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 Eftersom bärbar elektronik inte bara kräver modern teknik utan också flexibla och böjbara kraftkällor, har omfattande ansträngningar gjorts för att möta sådan tekniska krav inklusive flexibla superkapacitatorer, sekundära Li-ion-batterier och bränsleceller. 11, 12, 13, 14, 15 Medan superkondensatorer uppnår hög effektdensitet genom att offra energilagring och sekundära Li-ion-batterier har nått sin teoretiska maximala energitäthet, har bränslecellstekniken fortfarande potentialen att öka både kraft och energitäthet. 16 Därför kan bränslecellsteknologi vara nästa generations bärbara kraftkälla för framtidens flexibla elektronik.

I detta avseende har flexibla bränslecellkonstruktioner rapporterats flera gånger. Miniatyriserade flexibla bränsleceller med hög effekttäthet baserat på mikroelektro-mekanisk systemteknik har föreslagits, men de har några praktiska begränsningar såsom svårigheter i uppskalning och höga tillverkningskostnader. 17, 18, 19, 20, 21 Efterföljande forskning har försökt lösa sådana problem genom att använda billiga, lätta bearbetningstekniker, inklusive mjuk litografi med kommersiellt tillgängliga polymerer och elektriskt ledande material. 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 Även om dessa rapporterade material har visat potential som bärbara kraftkällor, var tekniken i sådana rapporter inte tillräcklig för att kunna användas i nuvarande och framtida flexibel elektronik på grund av tjock och tung anordning konstruktion, låg effekt, staplingsproblem eller hög katalysatorbelastning. I synnerhet kan böjningsinducerad mekanisk belastning, som ökar linjärt med tjockleken, skada membranelektrodaggregatet (MEA) och minska bränslecells långsiktiga hållbarhet. 22, 29 Därför bör flexibla bränsleceller ha en geometri som är tillräckligt tunn för att både undvika belastningsskador och upprätthålla höga strukturella frihetsgrader.

I denna studie rapporterar vi rullbara ultra-light bränsleceller (RUFC) med två operationstyper: luftandning (passiv) och aktiv. Luft-andnings RUFC var sammansatt av en anodflödesfältplatta, anod / katodströmskollektorer, gasdiffusionsskikt (GDL) och ett katalysatorbelagt membran med en total tjocklek av 0, 992 mm och en vikt av 2, 23 g. För den aktiva RUFC tillsattes endast en komponent, en katodflödesfältplatta, till den luftandnande RUFC. Genom att använda en termisk tryckningsmetod med en tunn polykarbonatfilm uppnådde vi väldefinierade flödesfältplattor med en effektiv fördelning av reaktanter och hög flexibilitet. Dessutom användes en metallströmkollektor med utmärkt gaspermeabilitet, elektrisk ledningsförmåga och låg böjstyvhet i detta arbete med hjälp av en lätt laserbearbetningsprocess med rostfritt stålplåt.

Experimentella procedurer

Tillverkning av flödesfält tunnfilm och metallnätströmskollektor

Den tunna filmen med flödesfält framställdes med användning av en termisk tryckningsprocess. Först tillverkade vi en flödeskanal i rostfritt stål med en datoriserad numerisk kontrollfräsmaskin, med ett kanaldjup, bredd och höjd på 0, 5, 1 respektive 1 mm. En PC-film (200 mikrometer tjock) placerades på den rostfria formen i rostfritt stål och varmpressades under hydrostatisk tryck (5 MPa) vid 150 ° C under 10 minuter. Efter sänkning av temperaturen till 60 ° C avlägsnades den flödeskanalmönstrade tunnfilmen från den rostfria formen. För att göra gasens inlopp och utlopp borrades två hål i flödeskanalens ändar. Metallgallret tillverkades baserat på laserskärningsprocessen av en tunn rostfritt stålplåt (50 um tjock) med en kvadratmaskstorlek av 1 x 1 mm, och den 20 nm tjocka guldfilmen sputades på metallgallret med användning av en kommersiell förstoftning system (AT12, A-Tech System, Incheon, Republiken Korea). Trycket för Ar-gasen, likström (DC) -förstoftningseffekt och mål-till-substratavståndet var 0, 67 Pa, 100 W respektive 8 cm.

MEA-beredning och tillverkning av den ultralätta, rullbara bränslecellen

MEA bereddes med användning av följande steg. Först användes ett Nafion 212-membran (DuPont, Wilmington, DE, USA) som en protonledande elektrolyt utan förbehandling och monterades på en värmeplatta av sugtyp medan temperaturen hölls vid 80 ° C. Katalysatorfärgen för anod- och katodkatalysatorskikten bereddes genom blandning av avjoniserat vatten (18, 2 M ^ cm, Millipore), 5 vikt-% Nafion-lösning (DuPont) och isopropylalkohol (Sigma-Aldrich, St Louis, MO, USA) med 40 vikt-% % Pt / C (Johnson Matthey, Royston, Storbritannien). Den beredda katalysatorfärgen blandades med användning av en virvel- och ultraljudsbehandling och sprayades sedan på anod- och katodesidorna på det monterade Nafion 212-membranet (DuPont). Pt-belastningen av det som tillverkade katalysatorbelagda membranet var 0, 45 mg cm2 vid varje elektrod, och de aktiva geometriska områdena för MEA: erna sattes till 9, 0 cm2. Efter denna process placerades det katalysatorbelagda membranet mellan två GDL: er (kolpapper 10BC, SGL Carbon, Wiesbaden, Tyskland) och varmpressades under hydrostatisk tryck (10 MPa) vid 120 ° C under 10 minuter. Slutligen monterades den ultralätta, rullabara bränslecellen genom att stapla den tunna filmen med flödesfält, guldbelagd metallnät och hemmagjord MEA med användning av en tunn självhäftande tejp (50 um tjock, 3 M). Denna enhet varmpressades under hydrostatisk tryck (1 MPa) vid 60 ° C för bättre vidhäftning av varje komponent.

Tillverkning av ultralätt rullbar bränslecellstapel

Den plana bränslecellstapeln tillverkades med användning av 10 bränsleceller, anordnade med en två kolonn × fem radstruktur. En bränslecells anod var ansluten till en annan bränslecell för att öka den totala spänningen via en seriekoppling. Denna plana bränslecellstapel böjdes avsiktligt till en cylindrisk form. Torra H2 tillfördes in i en cylinderliknande bränslecellstapel. För att demonstrera bränslecellstapeln som arbetar utanför användes en H 2- lagring av metallhydridpatron (Hydrostick, Horizon, Singapore).

Elektrokemisk karaktärisering

Den tillverkade bränslecellen monterades på en skruvstång för att böja den, och föreställningarna mättes i två former: platt och böjd med en radie av 2 cm. De volymetriska flödeshastigheterna för H2 och luft in i bränslecellen var båda 200 cm ^ per minut. Varje gas tillfördes den relativa fuktigheten (RH) på 94% vid 25 ° C. Våt- / torrcykeltestet utfördes genom att byta RH-värdena för H2 och luftgaserna från 100 till 0%, medan öppna kretsspänningar (OCV) och effektdensiteten vid 0, 6 V mot reversibel väteelektrod (RHE) hos aktiva RUFC spelades in samtidigt. Varje vått eller torrt steg hölls under 10 minuter, och cykeln upprepades sex gånger. Efter avslutad den sista cykeln, kördes RUFC med torra gaser i 20 minuter för att undersöka genomförbarheten av torr drift. RUFC med luftandning drivs under atmosfäriska förhållanden (RH på 30% vid 25 ° C). Enkelcellsprestanda och motsvarande elektrokemiska impedansspektra (EIS) mättes med användning av en Solartron 1260/1287 (Solartron Analytical, Hampshire, UK). Innan mätningen utfördes aktiverades cellen genom att mäta polariseringskurvorna upprepade gånger från en OCV till 0, 25 V i potentiodynamiskt läge med en voltaisk svepfrekvens på 15 mV per sekund. Omedelbart efter mätning av polariseringskurvan mättes motsvarande EIS-data vid 0, 5 V vs RHE genom att applicera en sinusformad ingång med en amplitud på 30 mV för att övervaka det aktuella svaret. Frekvensområdet var 10 5 –10 −1 Hz, från hög till låg frekvens. RUFC böjdes sedan upprepade gånger 10, 100 och 200 gånger med en böjningsradie på 1 cm i denna avsiktliga bockningsprocess. RUFC karaktäriserades sedan igen efter den upprepade böjningen genom att följa samma process som ovan.

Den aktiva RUFC: s långsiktiga hållbarhet utvärderades också. Under den långvariga operationen mättes polariseringskurvor upprepade gånger från OCV till 0, 25 V i potentiodynamiskt läge med en svepfrekvens på 15 mV per sekund. Fullständigt fuktad H2 och luftgas tillfördes till anoden respektive katoden hos den aktiva RUFC, och testet upprepades i 120 timmar. Efter 120 timmars kontinuerlig drift undersöktes OCV: er och maximal effektdensitet för den aktiva RUFC.

resultat och diskussion

Figur 1a – d visar tvåstegstillverkningsproceduren för dessa RUFC: er (a) tillverkning av flödesfältets tunna platta genom termisk avtryckning med PC-filmer och (b) stapling och montering av komponenterna i RUFC: er. För den luftandande RUFC användes en anodflödesfält tunn tunn platta, anod / katod metallnätströmsamlare och en specialbyggd MEA. För den aktiva RUFC tillsattes en katodflödesfältplatta till den luftandande RUFC för att kontrollera luftflödet till bränslecellen (se "Experimentella procedurer" för mer information). Figur 1e – g visar digitalkamerabilder av de tillverkade produkterna efter varje steg. Den flödeskanalmönstrade (3 × 3 cm) PC-filmen (tjocklek 200 μm) visade hög strukturell mönsterskydd på grund av användningen av en termisk tryckningsmetod. Den totala RUFC-storleken inställdes på 5, 5 × 5, 5 cm för robust montering och för att minimera gaskorsningen genom att säkerställa tillräckligt vidhäftningsområde (figur 1e). Denna transparenta, storskaliga och tunnmönstrade PC-film fungerade som en flödesfältplatta för att möjliggöra tillverkning av bränsleceller med hög flexibilitet, överlägsen effekt per vikt och låg kostnadsproduktion (figur 1e). Ett lager strömsamlare med ett tunt rostfritt stålnät (linjebredd 100 μm, maskstorlek 1 × 1 mm och total tjocklek 50 μm) ger god flexibilitet och hög gasdiffusibilitet. Dessutom ger en beläggning av guld på en sida av det rostfria stålnätet (20 nm tjockt) bättre elektrisk kontakt mellan GDL och strömkollektorn. Våra RUFC-system kunde inte utnyttja det yttre trycket från ändplattklämman som är typisk i konventionella bränsleceller; 30 och därför varmpressade vi ett katalysatorbelagt membran mellan två GDL: er för att undvika dislokation under böjning och rullning. Vidare minskar denna varmpressningsprocedur det inre motståndet och den totala tjockleken hos MEA. 31 De avslutade luftandnings- och aktiva RUFC: erna visade god enhetsintegritet för flexibel bärbar användning (figur 1f och g). Ytterligare information om tillverkningen av dessa enheter finns i "Experimentella procedurer".

Image

Schematiska illustrationer för tillverkningsproceduren för RUFC: er. ( a ) Tillverkning av den tunna plattan med flödesfält genom termisk tryckning med PC-filmen. ( b ) Flödeskanalmönstrad PC-film. ( c, d ) Stapling och montering av komponenterna i luftandningen (övre) och aktiva RUFC: er (nedre). Digitalkamerabilder av ( e ) flödeskanalmönstrad PC-film och ( f ) avslutade luftandning och ( g ) aktiva RUFC. CCM, katalysatorbelagt membran; GDL, gasdiffusionsskikt; RUFC, rullbar ultralätt bränslecell.

Bild i full storlek

Figur 2a – d visar polariseringskurvorna och motsvarande EIS. De initiala OCV: erna för de aktiva och luftandnande RUFC: erna var 1, 00 respektive 0, 960 V, vilka ligger nära den teoretiska spänningen för en H2-luft bränslecell. Därför var anoden och katoden för RUFC: erna helt polariserade med H2 och luft, och gasbarriären förseglades väl. 32, 33 Stökiometriantalet H2 och luft var 11, 5 respektive 4, 8 i anoden respektive katoden, eftersom RUFC arbetar vid 2, 5 A (den maximala uppmätta strömmen). Anledningen till sådana höga stökiometriantal är att utvärdera den nyutvecklade bränslecellens maximala prestanda. Den aktiva RUFC uppvisade högre prestanda än luftandningscellen, med maximal effektdensitet på 89, 2 (totalt 803 mW) och 56, 4 mW cm −2 (totalt 508 mW), böjd med en radie på 2 cm (figur 2a och b). Dessa värden beror på att tillförseln av luft i den aktiva RUFC är riklig på grund av tvingad konvektion, vilket resulterar i förbättrad H2- och O2-diffusion till varje GDL, vilket inte kan förväntas för den naturliga konvektionen i den luftandningsande RUFC, som tidigare observerats . 34, 35

Image

Polariseringskurvor för de ( a ) aktiva och ( b ) luftandnande RUFC: erna före och efter det upprepade böjningstestet och motsvarande elektrokemiska impedansspektra vid 0, 5 V mot RHE ( c, d ). Jämförelse av öppen kretsspänningar och maximala effekttätheter för de ( e ) aktiva och ( f ) luftandnande RUFC: erna före och efter det upprepade böjprovet. RUFC, rullbar ultralätt bränslecell.

Bild i full storlek

Hållbarhet mot upprepad böjning är en av de avgörande faktorerna i all flexibel elektronik. Därför utförde vi upprepade böjningstester för att undersöka deras utmattningshållbarhet. Fyra fall (0, 10, 100 och 200 böjningscykler) inställdes och de elektrokemiska egenskaperna för varje fall undersöktes. Föreställningarna för både de aktiva och luftandnande RUFC: erna minskade inte signifikant med upprepad böjning (figur 2a och b). Även efter 200 böjcykler minskade de maximala effektdensiteterna i både de aktiva och luftandnande RUFC: erna med <10%. Även om de kumulativa böjcyklerna verkar sänka något OCV (0, 960–0, 890 V) för den luftandnande RUFC, antas det att en sådan minskning skulle ha inträffat från det försämrade tätningstillståndet genom att böja trötthet. Variationen i prestandan avslöjar emellertid att en sådan minskning av OCV inte är en dominerande faktor i RUFC: s prestanda. Både de aktiva och luftandnande RUFC: erna har visat höga OCV: er över 0, 9 V, vilket bevisar att våra RUFC: er är väl utformade och att det inte fanns några tätnings- eller förpackningsproblem under deras drift. 32 Dessutom bevisar resultaten av ett repetitivt våt / torrtest ytterligare överlägsenheten vid tätning och förpackningens robusthet, med höga OCV-värden över 0, 95 V vilket indikerar att sprickbildning och gasläckage inte hade inträffat under testet (kompletterande figur S1). Effektdensiteten vid 0, 6 V mot RHE för den aktiva RUFC under våta förhållanden (RH 100% luft och H2-gaser) är mycket högre än den i torra förhållanden (RH 0% luft och H2), och denna skillnad bibehölls genom de upprepade våta / torra testerna. RUFC fungerar till och med utan någon betydande prestandaförlust under kontinuerliga torra förhållanden omedelbart efter våt / torrtestet i 110 minuter (kompletterande figur S1) Detta resultat indikerar att de andra komponenterna fungerar utan problem. Så vitt vi vet har endast ett upprepat böjningstest av flexibla bränsleceller rapporterats i tidigare litteratur, 22 där prestandan för den bränslecellen minskade kontinuerligt med böjning i> 120 gånger. Följaktligen är de asfabrikerade RUFC: erna i denna studie strukturellt robusta och kan därför tåla den yttre kraften som genereras när den används som flexibel elektronik, särskilt jämfört med tidigare flexibla bränsleceller. Förutom böjning testades också elektrokemisk hållbarhet (kompletterande figur S2, kompletterande tabell S1). Det observerades att även efter 120 timmars kontinuerlig drift förblev OCV: erna för den aktiva RUFC mycket höga (över 0, 96 V), vilket indikerar att båda elektroderna i den aktiva RUFC var väl polariserade och att det inte fanns några läckage eller förpackningsproblem. Dessutom bibehölls även den maximala effektdensiteten för den aktiva RUFC under 96 timmars drift och minskade med endast 14% efter 120 timmar jämfört med de för en konventionell polymerelektrolytmembranbränslecell, vilket visar den höga långsiktiga hållbarheten hos vår RUFCs. Det fanns ingen signifikant prestandaförlust genom översvämningar på grund av två faktorer: serpentinkanalmönstret och kontaktvinkeln på PC: n (Se kompletterande figurer S3 och S4, och ytterligare diskussion i kompletterande information).

För att kvantitativt undersöka effekten av upprepad böjning, uppmättes EIS vid 0, 5 V mot RHE (figur 2c och d). Det ohmiska motståndet ( R ohm ) genereras teoretiskt från det joniska transportmotståndet (Nafion-membranet (DuPont) och jonomeren i katalysatorskiktet) och det yttre elektriska motståndet (bulkelektriskt motstånd hos material och kontaktmotstånd mellan dem), vilket indikeras av avskärmningen av halvcirkeln på EIS med den verkliga axeln i högfrekvensområdet. Laddningsöverföringsmotståndet ( R ct ) beräknas också med hjälp av halvcirkelns diameter vid mellan- och lågfrekvensområdet, vilket huvudsakligen orsakas av elektrokemisk motstånd från katodreaktionen. 36, 37 Dessa spektra visualiserar tydligt varför prestandan för den aktiva RUFC är högre än den för den luftandande. Både R ohm och R ct för den aktiva RUFC är lägre än de för den luftandningsande. Den nedre R ohm av den aktiva RUFC jämfört med den andningsluft som uppstår beror på strukturell integritet på grund av närvaron av katodens flödesfältplatta. Om den aktiva RUFC är böjd, kommer den att generera högre tryckspänning på MEA än den luftandnande och minskar kontaktmotståndet vid alla komponentiella gränssnitt. Sådana fenomen finns i andra studier. 22, 23 Den lägre Rct för den aktiva RUFC står för den bättre lufttillförseln genom tvingad konvektion i den aktiva RUFC än den naturliga konvektionen av luft i den luftandningsande RUFC. 34, 35 Dessutom kan den lägre RH i luftluftande RUFC genom att direkt utsätta GDL för omgivande luft vara en annan orsak till de högre R ohm och R ct- värdena. Vid jämförelse av värdena för R ohm och R ct före och efter böjningstestet, befanns R ohm och R ct- värdena för båda RUFC: erna förändras med endast en liten mängd, i enlighet med prestandaförändringarna som diskuterats ovan (figur 2e och f ). En böjningsinducerad mekanisk belastning har rapporterats skada och försämra MEA. 22, 29 Med tanke på att töjningen är proportionell mot den totala tjockleken, beror RUFC: s böjhållbarhet på grund av deras extremt tunna konstruktion och starka metallnätströmsamlare med låg böjstyvhet. Eftersom tjockleken hos de flexibla bränslecellerna i tidigare studier var 12 mm, skulle mer belastning genereras, och böjhållbarheten var således inte av hög kvalitet. 22

För att jämföra den inre töjningsfördelningen av RUFC: erna med de från tidigare rapporterade flexibla bränsleceller beräknades de laterala töjningsfördelningarna av tjocka och tunna bränsleceller med användning av COMSOL finit elementanalys (figur 3). Stamningen av RUFC vid centrumlinjen där MEA är belägen är tydligt liten (<1%), medan den för den tjocka bränslecellen är relativt hög (~ 10%). När tjocka elastiska material (till exempel polydimetylsiloxan (PDMS)) används i flödesfältplattor för att uppnå hög flexibilitet och anpassningsförmåga, anses böjningsinducerad lateral belastning vara oundviklig på grund av deras lägre Youngs modul och tjocklek. Däremot, när flexibla bränsleceller tillverkas på tunna och tuffa plastfilmer (till exempel PC-filmer som används i denna studie), kan sidostammar inducerade genom böjning effektivt undertryckas av den ultratunna strukturen och relativt höga Youngs modul. Liknande fenomen beträffande tjocklekarna, Youngs modul och resulterande prestanda inom flexibel elektronik har rapporterats någon annanstans. 38, 39 Den detaljerade simuleringsprocessen och ytterligare diskussion av de strukturella fördelarna med RUFC förklaras med kompletterande figur S5 i den kompletterande informationen.

Image

( a ) Digitalkamerabild av den aktiva RUFC när den är böjd. ( b, c ) Internt belastningsberäkningsresultat för 1 mm tjock PC och 12 mm tjock PDMS-baserade flexibla bränsleceller. PC, polykarbonat; RUFC, rullbar ultralätt bränslecell.

Bild i full storlek

Figur 4a och b visar bilder av digitalkameror som visar vikten och tjockleken på den fristående luftandnande RUFC. Den totala vikten och tjockleken är ~ 2.23 g respektive <1 mm, vilket bekräftar att vår RUFC är lätt och ultratunn. Prestandan hos de aktiva och luftandnande RUFC: erna med avseende på deras effekt per vikt och effekt per katalysatorbelastning jämförs också med tidigare rapporter om flexibla bränsleceller (figur 4c och d). De aktiva och luftandnande RUFC: erna visar> 2, 5- och 5-faldig ökning i effekt per vikt, jämfört med de tidigare rapporterade flexibla bränslecellerna. För att jämföra förmågan att "skala upp" dessa RUFC: er med tidigare rapporterade resultat (figur 4e och f), introducerar vi här en ny volymetrisk prestationsfaktor, "område dividerat med tjocklek." RUFC: s prestanda uppnådde tydligt inte bara den högsta effekten per vikt, utan också en överlägsen volymetrisk effektivitet för både de aktiva och luftandnande flexibla bränslecellerna. 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29

Image

Digitalkamerabilder av ( a ) vikten och ( b ) tjockleken på den luftandande RUFC. Jämförelse av RUFC: er med andra flexibla bränsleceller från andra studier när det gäller effekt per vikt, effekt per katalysatorbelastning och area per tjocklek. ( c, d ) för de aktiva och ( e, f ) för de luftandnande RUFC: erna. RUFC, rullbar ultralätt bränslecell.

Bild i full storlek

På grund av dess extremt tunna och mycket flexibla design kan RUFC lätt deformeras till önskad form. Trots sitt namn, "rullable", kan RUFC rullas upp (figur 5a) eller förvrängas till en S-form (figur 5b) utan att det påverkar dess prestanda betydligt jämfört med de ostörda värdena (det vill säga maximal effektdensitet på 54, 2 och 48, 1 mW cm −2 för upprullad respektive S-form, figur 5c). Denna höga grad av strukturell frihet tillåter applikationer i olika miljöer såsom epithermal, bärbar eller strukturellt komplicerade anordningar.

Image

Digitalkamerabilder av RUFC: er med olika former. ( a ) Upprullning och ( b ) S-form. ( c ) Polariseringskurvor för upprullning och S-form RUFC. RUFC, rullbar ultralätt bränslecell.

Bild i full storlek

Dessutom skapade vi en bärbar bunt med 10 luft-andnings RUFC: er (figur 6a). Formen på bränslecellstapeln var avsiktligt utformad för att vara cirkulär för att visa dess strukturella genomförbarhet. Den staplade enheten laddade en smartphone och använde en elektrisk LED-fläkt samtidigt och visade framgångsrikt dess praktiska genomförbarhet (figur 6b, kompletterande filmklipp tillgängligt online). Denna bränslecellstapel gjordes ännu mer bärbar med användning av en metallhydridpatron för att lagra H2. Detta bärbara stacksystem använde också framgångsrikt en elektrisk LED-fläkt utanför (figur 6c) med en uppmätt OCV på 9, 71 V och maximal effekt på 2, 30 W (figur 6d) när den körs vid rumstemperatur (25 ° C) med H2 och omgivande luft. Denna effekt är lägre än värdet beräknat från den maximala effekttätheten på 56, 4 mW cm −2 i figur 2b eftersom modulariseringen inte optimerades för att förhindra strömläckage eller den inhomogena fördelningen av H2 och mycket torr H2 (lagrad i en metallhydridpatron) användes. 40 En kraftnivå som kan användas för användning av praktisk elektronik ger oss ytterligare inblick i en ny typ av bärbara och flexibla kraftkällor.

Image

Digitalkamerabilder av ( a ) en bärbar bunt med de 10 luftandnande RUFC: erna, ( b ) demonstrationen av att ladda en smartphone och använda en elektrisk LED-fläkt med bunten och ( c ) utomhusdrift av en elektrisk LED-fläkt med bunten och H2-lagring av metallhydridpatron. ( d ) Polariseringskurvan för stacken. RUFC, rullbar ultralätt bränslecell.

Bild i full storlek

Slutsatser

Vi har demonstrerat tillverkning och praktisk tillämpning av RUFC: er för flexibel elektronik. Med hjälp av väldefinierade tunna flödesfältplattor, mycket ledande och gasgenomsläppliga strömkollektorer och anpassade, varmpressade MEA konstruerade vi framgångsrikt ultralätta och tunna bränslecellanordningar. De som tillverkade RUFC: erna uppvisade de högsta effekt-per-viktvärdena bland tidigare rapporterade flexibla bränsleceller och stabil drift även i olika deformerade former såsom upprullade och S-formade geometrier. Dessutom tillverkades en bärbar, flexibel plan stapel bestående av 10 luft-andnings RUFC: er och användes som en kraftkälla för laddning och drift av konventionella elektroniska enheter. Med detta nya tillvägagångssätt är våra RUFC: er inte bara potentiella nästa generations bärbara kraftkällor, utan föreslår också nya konstruktioner för material och system för framtida flexibel elektronik.

Kompletterande information

Word-dokument

  1. 1.

    Kompletterande information

  2. 2.

    Kompletterande information

videoklipp

  1. 1.

    Kompletterande film

    Kompletterande information åtföljer uppsatsen på NPG Asia Materials webbplats (//www.nature.com/am)