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.
Anotace v angličtině
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.
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.
Anotace v angličtině
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.
{Seznamte se s palivovými články (s pevnými i kapalným eletrolytem, s průtočnými bateriemi) a s jejich využitím - konkrétně s vodíkovými články - jak studiem doporučené literatury, tak experimentálně v laboratoři.
{Prostudujte základní komponenty palivových článků a jejich funkci a složení (grafit apod.) a vliv na elektrodové děje (včetně vlivu katalyzátorů) - vliv elektrické vodivosti, využití nanomateriálů, vliv plochy, těsnění atd. - dle doporučené literatury a posléze i experimentálně.
{Prostudujte bipolární membrány a desky, způsob přípravy bipolárních materiálů.
{Připravte palivové články a experimentálně prověřte vliv geometrie a uspořádání kanálků, spotřebu a kvalitu paliva a distribuci plynu na jejich funkci - dle metodiky MFF UK zahrnující EIS (elektroimpedanční spektroskopii) a měření polarizačních křivek.
{Experimentálně porovnejte samozvlhčující MEA (svazek Membrane Electrod Assembly = elektrody, membrány a plynově difúzní média) s komerčními MEA - dle metodiky MFF UK. Významnou součástí této části práce bude i navržení pracovních podmínek svazku tak, aby bylo dosaženo provozní rovnováhy ve vodní bilanci.
Zásady pro vypracování
{Seznamte se s palivovými články (s pevnými i kapalným eletrolytem, s průtočnými bateriemi) a s jejich využitím - konkrétně s vodíkovými články - jak studiem doporučené literatury, tak experimentálně v laboratoři.
{Prostudujte základní komponenty palivových článků a jejich funkci a složení (grafit apod.) a vliv na elektrodové děje (včetně vlivu katalyzátorů) - vliv elektrické vodivosti, využití nanomateriálů, vliv plochy, těsnění atd. - dle doporučené literatury a posléze i experimentálně.
{Prostudujte bipolární membrány a desky, způsob přípravy bipolárních materiálů.
{Připravte palivové články a experimentálně prověřte vliv geometrie a uspořádání kanálků, spotřebu a kvalitu paliva a distribuci plynu na jejich funkci - dle metodiky MFF UK zahrnující EIS (elektroimpedanční spektroskopii) a měření polarizačních křivek.
{Experimentálně porovnejte samozvlhčující MEA (svazek Membrane Electrod Assembly = elektrody, membrány a plynově difúzní média) s komerčními MEA - dle metodiky MFF UK. Významnou součástí této části práce bude i navržení pracovních podmínek svazku tak, aby bylo dosaženo provozní rovnováhy ve vodní bilanci.
Seznam doporučené literatury
{Jelínek, L., Parschová H., Paidar M. a Mištová E., 2008. Desalinační a separační metody v úpravě vody. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická. ISBN 978-80-7080-705-7.
{Hokr, M.: Transportní procesy. Učební text Fakulty mechatroniky a mezioborových inženýrských studií, Technická Univerzita v Liberci, 2005.
{Kordesch K., Simander G.: Fuel Cells and Their Applications, VCH, Weinheim 1996, ISBN 3-527-28579-2.
{Regner A.: Technická elektrochemie 1, Elektrochemie anorganických látek, Academia Praha 1967.
{Bartovská L., Novák J.. Úlohy z fyzikální chemie (speciálně kapitola 8 - Elektrochemie), VŠCHT Praha 2005, ISBN 978-80-7080-563-3.
{Barbir F., PEM FUEL CELLS, THEORY AND PRACTICE, Elesevier, ISBN 978-0-12-387710-9.
{Hyun J. K., Woo T. K.: Numerical Investigation of Gas-Liquid Two-Phase Flow inside PEMFC Gas Channels with Rectangular and Trapezoidal Cross Sections, Energies 2018, 11, 1403; doi:10.3390/en11061403.
Seznam doporučené literatury
{Jelínek, L., Parschová H., Paidar M. a Mištová E., 2008. Desalinační a separační metody v úpravě vody. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická. ISBN 978-80-7080-705-7.
{Hokr, M.: Transportní procesy. Učební text Fakulty mechatroniky a mezioborových inženýrských studií, Technická Univerzita v Liberci, 2005.
{Kordesch K., Simander G.: Fuel Cells and Their Applications, VCH, Weinheim 1996, ISBN 3-527-28579-2.
{Regner A.: Technická elektrochemie 1, Elektrochemie anorganických látek, Academia Praha 1967.
{Bartovská L., Novák J.. Úlohy z fyzikální chemie (speciálně kapitola 8 - Elektrochemie), VŠCHT Praha 2005, ISBN 978-80-7080-563-3.
{Barbir F., PEM FUEL CELLS, THEORY AND PRACTICE, Elesevier, ISBN 978-0-12-387710-9.
{Hyun J. K., Woo T. K.: Numerical Investigation of Gas-Liquid Two-Phase Flow inside PEMFC Gas Channels with Rectangular and Trapezoidal Cross Sections, Energies 2018, 11, 1403; doi:10.3390/en11061403.
Přílohy volně vložené
žádné
Přílohy vázané v práci
ilustrace, grafy, schémata, tabulky
Převzato z knihovny
Ano
Plný text práce
Přílohy
Posudek(y) oponenta
Hodnocení vedoucího
Záznam průběhu obhajoby
Průběh obhajoby je zveřejněn pouze přihlášenému uživateli.