Mikrofluidische Durchflussregelung für Wasserstoff-Brennstoffzellen
Diskussion über die Wasserstoff-Brennstoffzellenforschung
Wasserstoff-Brennstoffzellen sind eine attraktive tragbare Energiequelle, die elektrische Energie um Größenordnungen besser speichern kann als Batterien ähnlicher Größe. Aufgrund der zunehmenden Investitionen in die Zukunft des Wasserstoffs, wie z. B. die neue Anreize für die Wasserstoffproduktion, die im Inflationsbekämpfungsgesetz aufgeführt sind, wird erwartet, dass der Wasserstoff-Brennstoffzellenmarkt in den kommenden Jahren erheblich wachsen wird. Einige wichtige Schwerpunkte für Forschung und Entwicklung auf dem Brennstoffzellenmarkt sind:
- Erhöhung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Brennstoffzellen
- Senkung der Brennstoffzellenkosten
- Steigerung der Effizienz von Brennstoffzellen
- Verbesserung der Betriebsbedingungen
Es wurden viele Arten von Wasserstoffbrennstoffzellen mit verschiedenen positiven und negativen Eigenschaften entwickelt. Zum Beispiel Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs), der wahrscheinlich am weitesten verbreitete Brennstoffzellentyp, haben den Vorteil einer hohen Leistungsdichte und einer langen Betriebsdauer, aber den Nachteil hoher Kosten und hoher Betriebstemperaturen. In der folgenden Liste werden die gängigsten Brennstoffzellentypen sowie ihre wichtigsten Vor- und Nachteile aufgeführt:
| Brennstoffzellen-Typ | Vorteile | Benachteiligungen |
| Protonenaustauschmembran (PEMFC) |
-Gebräuchlich
-Hohe Leistungsdichte -Großer Aktionsradius |
-Hohe Betriebstemperaturen
-teuer -tolerant gegenüber CO |
| Direkt-Methanol (DMFC) | -weniger komplexes Design | -Erfordert edlen Katalysator |
| Alkalisch (AFC) |
-Ungünstig
-tolerant gegenüber CO |
-Verwendet korrosiven Elektrolyt
-tolerant gegenüber CO2 |
| Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC) | -Weithin verfügbar | -Kurze Betriebszeit |
| Geschmolzenes Karbonat (MCFC) | -Hohe Effizienz |
-Elektrolytinstabilität -CO2 Vergiftung |
| Festes Oxid (SOFC) | -Hohe Effizienz |
-Hohe Betriebstemperaturen -teuer |
Einführung von mikrofluidischen Brennstoffzellen
Eine interessante Brennstoffzellentechnologie in der Mikroelektronik ist die mikrofluidische Brennstoffzelle, auch membranlose Brennstoffzelle mit laminarer Strömung genannt (LFFC). Bei diesem Brennstoffzellentyp werden Mikrokanäle mit laminarer Strömung verwendet, um Anoden-, Kathoden- und Elektrolytbereiche zu trennen. In diesem System tritt ein Elektrolytstrom als wässrige Lösung in die Brennstoffzelle ein und fließt parallel zu einem Brennstoffanodenstrom (z. B. Wasserstoff) und einem oxidierenden Kathodenstrom (z. B. Sauerstoff), wodurch eine turbulente Vermischung vermieden wird und die Stromerzeugung ermöglicht wird.
Aufgrund physikalischer Beschränkungen können LFFCs nur für den Betrieb von Mikroelektronik verwendet werden und werden hauptsächlich für militärische und staatliche Anwendungen eingesetzt. Mikrofluidische Brennstoffzellen erfüllen jedoch noch einen weiteren Zweck, da sie modifiziert werden können, um die Leistung und Haltbarkeit verschiedener Arten von Elektroden und Katalysatoren zu charakterisieren, was die Optimierung verschiedener Arten von Brennstoffzellen, wie die zuvor genannten, ermöglicht.
Im Folgenden wird erörtert, wie die CODA von Alicat KC-Serie Massendurchflussregler verbessern mikrofluidische membranlose Laminarflow-Wasserstoffbrennstoffzellen durch präzise, wiederholbare und genaue Regulierung des niedrigen Durchflusses.
Entwurf von mikrofluidischen Wasserstoff-Brennstoffzellen
In einem Versuch EinrichtungEin kostengünstiges, einfaches Design für eine mikrofluidische Wasserstoff-Brennstoffzelle umfasst mikrofluidische Acryl-Durchflusskammern für H2 und O2 Lösungen sowie eine mikrofluidische Acryl-Durchflusskammer für eine flüssige Elektrolytlösung, z. B. H2SO4. Zwischen diesen verschiedenen Schichten befinden sich Gasdiffusionselektroden aus leitfähigem (Pt) Kohlepapier. Zusätzlich dienen zwei 1 mm dicke Graphitfenster als Stromsammler. Massenflussregler regeln den Durchfluss des H2, O2und Elektrolytlösungen, so dass stets eine konstante laminare Strömung aufrechterhalten wird.
Einsatz der CODA KC-Serie von Alicat für mikrofluidische Brennstoffzellen
Da die mikrofluidische Brennstoffzelle von einer wiederholbaren, präzisen, turbulenzfreien und laminaren Durchflussregelung abhängt, um die Anoden-, Kathoden- und Elektrolyt-Mikrokanäle ordnungsgemäß zu trennen, ist ein extrem präziser Massendurchflussregler für niedrige Durchflussraten ideal. Der Massendurchflussregler CODA KC-Series von Alicat regelt den Durchfluss bei extrem niedrigen Durchflussraten und hilft den Forschern, ideale Betriebsbedingungen zu finden. Die CODA KC-Serie ermöglicht eine kontinuierliche, präzise und wiederholbare Automatisierung der mikrofluidischen Brennstoffzelle.