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ACS Energy Letters:万物皆可盘,折纸灵感得来的柔性管状聚合物电解质膜燃料电池堆
Wonchan Hwang, Sungjun Kim, Ch / 2021-09-07     阅读次数:357

 

【文章概述】

柔性能量装置对于未来的小型和柔性装置是必不可少的,并且制造可变形的能量装置存在许多挑战。在本研究中,我们采用吸管状的思路,设计开发了一种具有柔性3D结构的被动吸气式聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)堆,其轻质且柔软,比传统的PEMFC堆叠更轻。通过应用锥形设计,该装置很容易与串联连接的单元组装在一起。此外,首次将锥形反向桁架折纸设计应用于管状PEMFC,实现了3D运动并缩小了PEMFC的体积。柔性管状PEMFC预计将成为小型设备的能源,并可用于替换需要机械运动的设备中的电线或外部燃料管道。

【成果简介】

朝鲜共和国国立江原国际大学化学工程系纳米粒子研究中心基础科学(IBS)的Yong-Hun Cho课题组设计开发了一种具有柔性3D结构的轻质且柔性的被动吸气式聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)堆,首次将锥形反向桁架折纸设计应用于管状PEMFC,实现了3D运动并缩小了PEMFC的体积。未来的应用具有巨大的开发前景,该材料符合奇材馆理念,后续开发值得期待!

【文章亮点】

1)、设计开发了一种具有柔性3D结构的轻质且柔性的被动吸气式聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)堆;

2)、比传统的PEMFC堆叠更轻;

3)、首次将锥形反向桁架折纸设计应用于管状PEMFC,实现了3D运动并缩小了PEMFC的体积;

4)、应用前景巨大;

【图文导图】

1 管状 PEMFC 的制造过程示意图

(a) 切割不锈钢网,(b) 卷成锥形并用焊接机焊接,(c) 卷起阳极GDL和催化剂涂层膜(CCM)在锥体的阳极部分,(d) 加热以粘合CCM

(e-h) 滚动阴极GDL(g)将阴极电极插入以下电池,以及(h)加热以密封CCM接头。

2 管状PEMFC的光学图像

(a-d)双单元堆叠t-PEMFC(b)组装模块,(c)五单元堆叠t-PEMFC,以及(d) t-PEMFC测量装置。(底部)管状PEMFC的性能

(e-f)包含Nafion 211膜的双电池堆叠t-PEMFC(f)包含Nafion 211膜的双电池堆和单电池的平均性能比较。

(g-h)包含Nafion 212膜的五电池堆叠t-PEMFC,以及(h)包含Nafion 212膜的五电池堆和单电池的平均性能比较。

3 (a-b)柔性管状PEMFC的锥形反向桁架折纸设计示意图,以及(b)设计的一个要素。

c-e)柔性管状PEMFC的光学图像:(c) 50%折叠,(d) 100%折叠,和(e)45°弯曲。

f-g)根据(f)折叠程度和(g)弯曲角度的柔性管状PEMFC的极化曲线。

4双单元堆叠柔性PEMFC的光学图像。

(b)双电池堆叠柔性t-PEMFC的极化曲线。

【奇材馆点评】

我们成功地制造了一个灵活的t-PEMFC(柔性管状聚合物电解质膜燃料电池堆),这个电池需要的零件数比传统质子交换膜燃料电池的零件数量要少,容易堆叠,制造的电池很轻很小。圆锥形的形状允许在不使用单独夹具的情况下组装电池,并且不锈钢网既用作电导管又用作电池支架,以消除对单独支架的需求。此外,通过使用带状连接简单地串联插入管状部件,堆叠是可以实现的。使用这种设计,制造了重量为0.22克、性能为198毫瓦(功率)897.7瓦·千克-1(比重功率密度)的双电池堆。最重要的是,我们使用折纸设计增加了tPEMFC的灵活性,使其体积减少了约50%。此外,即使弯曲到90°,灵活的t-PEMFC仍能保持90%的原始性能。基于Origamibased的柔性t-PEMFC有望成为小型设备(如无人机和机器人)的能源,并可用于替换需要机械运动的物体的电线和外部燃料管道。

【论文信息】

Origami-Based Flexible and Simple Tubular Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Stack

ACS Energy Letters:(IF=23.1

Pub Date 2021.08.17

DOI: 10.1021/acsenergylett.1c01460

Wonchan Hwang, Sungjun Kim, Chi-Yeong Ahn, Yong-Hun Cho, and Yung-Eun Sung

Center for Nanoparticle Research,Institute for Basic Science (IBS), Seoul 08826, Republic of Korea; School of Chemical and Biological Engineering, Seoul National University, Seoul 08826, Republic of Korea

 

 

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