Elektrodien valmistus suorametanolipolttokennolle

Suorametanolipolttokenno (DMFC) on lupaava vaihtoehto energiantuotantoon, varsinkin kannettavien laitteiden virtalähteeksi. Jotta kaupalliset sovellukset olisivat kannattavia, pitäisi DMFC:lla saavutettavien tehotiheyksien nousta ja hinnan laskea. Näitä tavoitteita pyritään saavuttamaan esimerkiksi tutkimalla uusia ja halvempia elektrolyyttimateriaaleja, jotka toimisivat DMFC:ssa ainakin yhtä hyvin kuin nykyään käytetty Nafion® . Optimoimalla elektrodien rakennetta ja niiden liittämistä elektrolyyttiin pyritään vähentämään tarvittavan katalyytin määrää. Tässä diplomityössä esitellään ensin lyhyesti polttokennotyypit ja eri mahdollisuuksia yhteenliitettyjen membraanin ja elektrodien (MEA) valmistamiselle polymeerielektrolyytti-membraanipolttokennolle (PEMFC). Tutkimusosassa selvitetään kuinka MEA:n valmistaminen maalaamalla elektrodit membraanin pintaan soveltuu kokeelliselle sulfonihapolla oksastetulle poly(vinylideenifluoridi)-membraanille (PVDF-g-PSSA). Hinnaltaan PVDF-gPSSA on huomattavasti halvempi kuin Nafion. Tavoitteena on löytää valmistusolosuhteita ja elektrodikerroksen koostumusta vaihtelemalla toimiva MEA. Valmis MEA testataan DMFC:ssa eri lämpötiloissa. Tuloksia verrataan Nafion-membraanille valmistetusta MEA:sta saataviin tuloksiin. Tutkimuksissa havaittiin, että lyhyenkin testin aikana Nafionia sideaineena käyttävä elektrodimateriaalia irtosi PVDF-g-PSSA-membraanin pinnasta. Polttokennon suorituskyky laski 90 % viidessä päivässä 60°C:ssa. Nafion-membraanille tehdyn MEA:n suorituskyky puolestaan nousi hiukan testin aikana. Elektrodi pysyi hyvin kiinni Nafion-membraanissa. Kuumapuristuslämpötilan nostaminen paransi PVDF-g-PSSA-MEA:n suorituskykyä yleisesti mutta ei estänyt suorituskyvyn laskua ajan kuluessa. Kun Nafionin määrä anodilla oli 60 % katalyytin määrästä, saavutettiin paras suorituskyky. MEA:n kestävyyteen ei Nafion-pitoisuudella ollut vaikutusta. Polttokennon lämpötilan laskeminen hidasti suorituskyvyn laskua niin, että 30°C: ssa laskua tapahtui 10 % viidessä päivässä. Toisaalta mittausten alussa PVDF-g-PSSA-MEA:n suorituskyky oli kuitenkin noin 5 % parempi kuin vastaavissa olosuhteissa testatun Nafion-MEA:n. Mittausten perusteella voidaan sanoa, että on hyvin vaikeaa valmistaa maalaamalla kestävää MEA:a PVDF-g-PSSA-membraanille, kun elektrodin sideaineena on Nafion. Toimiva ratkaisu voi löytyä muista MEA:n valmistusmenetelmistä tai sideaineen vaihtamisella paremmin yhteensopivaan aineeseen