Characterization of nanostructured catalysts and silicon microstructures in polymer electrolyte membrane fuel cells

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Kallio, Tanja, Dr., Aalto University, Department of Chemistry, Finland
dc.contributor.author Kanninen, Petri
dc.date.accessioned 2014-05-26T09:00:09Z
dc.date.available 2014-05-26T09:00:09Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.isbn 978-952-60-5703-3 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5702-6 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/13162
dc.description.abstract Direct methanol fuel cells (DMFC) produce electrical energy directly from chemical energy. They are a promising candidate for power sources of portable devices due to the high energy density of methanol and the quick recharging procedure by fuel insertion. However, the problem areas of the DMFC are the slow electro-oxidation of methanol and the permeated methanol reacting at the cathode. New catalysts are constantly searched but they are often tested only for catalytic activity and the DMFC testing is omitted even though the catalyst layer (CL) structure has a large impact on the performance. Miniaturization of the system is also necessary for portable applications. Silicon etching can be used to fabricate small structures for fuel cells replacing or enhancing the functions of laboratory-scale components. In the first part of this thesis, new catalysts for the DMFC are studied with the emphasis on the CL structure. Different carbon supports for the anode were studied: standard carbon black and alternative few-walled carbon nanotubes (FWCNT) and graphitized carbon nanofiber (GNF). The alternative supports showed better DMFC performance but their stability was lower than with carbon black. However, the CL formed with GNF showed a very porous structure enhancing the mass transfer, so that higher binder content could be used improving the stability to the level of carbon black and the performance by 30%. The FWCNTs were also investigated as a platform for enzymatic methanol oxidation by studying the electrochemical properties of an immobilized cofactor pyrroloquinoline quinone (PQQ). A large amount of PQQ was adsorbed having a strong redox response and good stability in a wide pH window. For the cathode, a methanol-tolerant, Pt-free nitrogen-doped FWCNTs were tested in an alkaline DMFC as such testing is not often made. Its performance was remarkably 4 times better than with Pt when synthetic air was used as the oxidant. In the second part of thesis, an integrated gas diffusion layer (GDL) consisting of Si nanoneedles (nanograss) was tested in a micro fuel cell (MFC). The layer functioned properly at low current densities. For high power applications, a standard carbon cloth GDL was tested with the nanograss as a contact surface reducing the resistance between the GDL and the flow field. The use of the nanograss improved the MFC performance and stability. Finally, the MFCs were used as a catalyst testing platform and the results were compared with a similar test in a laboratory-scale DMFC. The results varied showing that the DMFC components also have a large impact on catalyst testing. en
dc.description.abstract Suorametanolipolttokennot (SMPK) tuottavat sähköenergiaa suoraan kemiallisesta energiasta. Ne ovat lupaava vaihtoehto kannettavien laitteiden voimanlähteeksi, koska metanolilla on korkea energiatiheys ja lataaminen tapahtuu nopeasti polttoainelisäyksellä. SMPK:lla on kuitenkin rajoitteina metanolin hidas hapetusreaktio ja katodille kulkeutuneen metanolin reagoiminen. Uusia katalyyttejä etsitään jatkuvasti, mutta ne testataan usein vain aktiivisuuden osalta ja SMPK-testaus jätetään pois, vaikka katalyyttikerroksen (KK) rakenne vaikuttaa huomattavasti SMPK:n toimintaan. Systeemin pienentäminen on myös tärkeää kannettavia sovelluksia varten. Piin etsaaminen on tapa tuottaa pieniä rakenteita polttokennoihin korvaamaan ja tehostamaan perinteisten komponenttien toimintaa. Väitöskirjan 1. osassa tutkittiin uusia katalyyttejä SMPK:ta varten painottaen KK:n rakennetta. Anodilla tarkasteltiin tukiaineiden vaikutusta perinteisen hiilimustan ja vaihtoehtoisten hiilinanoputkien ja hiilinanokuitujen kanssa. Vaihtoehtoiset aineet olivat tehokkaampia SMPK:ssa, mutta niiden stabiilius ei ollut hiilimustan tasolla. Hiilinanokuidut kuitenkin muodostivat hyvin huokoisen KK:n parantaen aineensiirtoa, joten sidosaineen määrä voitiin nostaa niin, että stabiilius nousi hiilimustan tasolle ja suorituskyky 30 %. Hiilinanoputkia tutkittiin myös entsymaattisessa metanolin hapetuksessa immobilisoimalla sen pinnalle kofaktori pyrrolokinoliinikinoni (PKK) ja mittaamalla sen sähkökemiaa. PKK:ta saatiin adsorboitua suuri määrä ja elektrodilla oli redox-vaste laajalla pH-välillä. Katodilla testattiin metanolia sietäviä, Pt-vapaita typpidoupattuja hiilinanoputkia alkalisessa SMPK:ssa, koska tämän tyyppisiä katalyyttejä ei ollut testattu laajasti näissä olosuhteissa. Uuden katalyytin teho oli ennätyksellisesti 4 kertaa parempi kuin Pt-katalyytin käyttäen ilmaa hapettimena. Väitöskirjan 2. osassa valmistettiin integroitu kaasudiffuusiokerros Si nanoneulasista (nanoruoho), jota testattiin mikropolttokennossa (MPK). Kerros toimi hyvin alhaisilla virrantiheyksillä. Enemmän tehoa vaativiin sovelluksiin otettiin käyttöön normaali hiilikangas ja nanoruohoa käytettiin vähentämään kontaktivastusta sen ja virtauskanaviston välillä. Nanoruohon käyttö paransi MPK tehoa ja kestävyyttä. Lopuksi MPK:ja käytettiin uusien SMPK-katalyyttien testaamiseen ja tuloksia verrattiin laboratoriokokoisella kennolla saatuihin. Tuloksissa oli eroja, mikä osoittaa, että myös SMPK-komponenteilla on suuri merkitys katalyyttitestauksessa. fi
dc.format.extent 86 + app. 62
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 76/2014
dc.relation.haspart [Publication 1]: Petri Kanninen, Virginia Ruiz, Tanja Kallio, I.V. Anoshkin, Esko I. Kauppinen and Kyösti Kontturi: Simple immobilization of pyrroloquinoline quinone on few-walled carbon nanotubes, Electrochemistry Communications 12 (2010) 1257-1260. http://dx.doi.org/10.1016/j.elecom.2010.06.035
dc.relation.haspart [Publication 2]: Petri Kanninen, Maryam Borghei, Virginia Ruiz, Esko I. Kauppinen and Tanja Kallio: The effect of Nafion content in graphitized carbon nanofiber based anode for the direct methanol fuel cell, International Journal of Hydrogen Energy 37 (2012) 19082-19091. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.09.138
dc.relation.haspart [Publication 3]: Petri Kanninen, Maryam Borghei, Olli Sorsa, Elina Pohjalainen, Esko I. Kauppinen, Virginia Ruiz and Tanja Kallio: Highly efficient cathode catalyst layer based on nitrogen-doped carbon nanotubes for the alkaline direct methanol fuel cell, Applied Catalysis B: Environmental 156-157 (2014) 341-349. http://dx.doi.org/10.1016/j.apcatb.2014.03.041
dc.relation.haspart [Publication 4]: Maryam Borghei, Gianmario Scotti, Petri Kanninen, Timo Weckman, Ilya V. Anoshkin, Albert G. Nasibulin, Sami Franssila, Esko I. Kauppinen, Tanja Kallio and Virginia Ruiz: Enhanced performance of a silicon microfabricated direct methanol fuel cell with PtRu catalysts supported on few-walled carbon nanotubes, Energy 65 (2014) 612-620. http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2013.11.067
dc.relation.haspart [Publication 5]: G. Scotti, P. Kanninen, M. Mäkinen, T. Kallio and S. Franssila: Silicon nanograss as micro fuel cell gas diffusion layer, Micro & Nano Letters 5 (2010) 382-385. http://dx.doi.org/10.1049/mnl.2010.0122
dc.relation.haspart [Publication 6]: Gianmario Scotti, Petri Kanninen, Tanja Kallio and Sami Franssila: Integration of Carbon Felt Gas Diffusion Layers in Silicon Micro Fuel Cells, Journal of Micromechanics and Microengineering 22 (2012) 094006. doi:10.1088/0960-1317/22/9/094006
dc.subject.other Chemistry en
dc.subject.other Energy en
dc.title Characterization of nanostructured catalysts and silicon microstructures in polymer electrolyte membrane fuel cells en
dc.title Nanorakenteisten katalyyttien ja piimikrorakenteiden tutkimus polymeerielektrolyyttimembraanipolttokennossa fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Kemian laitos fi
dc.contributor.department Department of Chemistry en
dc.subject.keyword direct methanol fuel cell en
dc.subject.keyword carbon nanomaterials en
dc.subject.keyword micro fuel cells en
dc.subject.keyword catalyst layer en
dc.subject.keyword suorametanolipolttokenno fi
dc.subject.keyword hiilinanomateriaalit fi
dc.subject.keyword mikropolttokennot fi
dc.subject.keyword katalyyttikerros fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5703-3
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Kontturi, Kyösti, Prof., Aalto University, Department of Chemistry, Finland
dc.opn Lust, Enn, Prof., University of Tartu, Estonia
dc.contributor.lab Research Group of Electrochemical Energy Conversion and Storage en
dc.rev Jaouen, Frédéric, Dr., Université Montpellier II, France
dc.rev Kvarnström, Carita, Prof., University of Turku, Finland
dc.date.defence 2014-06-18


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account