Development of printable membrane electrode assembly for a passive direct methanol fuel cell-based biosensor

Abstract

This bachelor’s thesis was carried out in co-operation with VTT at Micronova (Centre for Micro and Nanotechnology) in Dr Maria Smolander’s research team (printed sensors and electronic devices) as part of the European Union co-funded Symbiotic project under the Future and Emerging Technologies (FET) programme.

Biosensors are important tools for recognising specific biomarkers that can be used to determine a person’s state of health. A common problem is that amperometric biosensors require electricity and therefore their use is limited by the proximity of an electricity generator system. In-situ-constructed printable direct methanol fuel cell offers a compact power source for such applications.

The aim of this work was to develop and build prototype membrane electrode assembly for a passive air-breathing direct methanol fuel cell by using inkjet printing technology. Additionally, the methanol oxidation catalysis activity of the ink (Pt-Ru/C) used in production was verified.

The catalysis activity of the production ink was investigated in cyclic voltammetry by comparing it to inactive carbon black (Vulcan XC-72R) ink in both active and inactive electrolyte solution. The direct methanol fuel cell membrane electrode assembly prototype was constructed using Pt-Ru/C ink.

The results obtained support the methanol oxidation catalysis activity of the Pt-Ru/C ink and its potential usage in inkjet printing for direct methanol membrane electrode assembly construction. However, more research is still needed in membrane electrode assembly construction.

Opinnäytetyö toteutettiin yhteistyössä mikro- ja nanotekniikan keskuksen kanssa tri Maria Smolanderin tutkimusryhmässä osana Euroopan Unionin FET-ohjelman rahoittamaa Symbiotic-projektia. Symbiotic-projektin lopputavoitteena on kehittää täysin omavarainen sähkökemiallinen biosensori.

Biosensorit ovat tärkeitä diagnostisia työvälineitä tunnistamaan spesifisiä biomerkkiaineita, joita voidaan käyttää henkilön terveydentilan arviointiin. Yleinen ongelma on kuitenkin, että amperometriset biosensorit vaativat sähköä toimiakseen ja siten niiden käyttöetäisyys on rajattu sähkögeneraattorin läheisyyteen. Biosensoriin paikallisesti asennettava tulostettava metanolipolttokenno mahdollistaa kompaktin sähkönlähteen tällaisiin sovellutuksiin.

Opinnäytetyön aiheena oli tulostustekniikkaa hyödyntävän membraani-elektrodikokoonpanoprototyypin kehittäminen ja rakentaminen ilmahengitteiseen suoratoimiseen metanolipolttokennoon. Lisäksi katalyyttikerroksen valmistuksessa käytettävän platina-ruthenium-hiilimusteen (Pt-Ru/C) sopivuuden varmistaminen tulostettavan metanolipolttokennon anodikatalyytiksi.

Musteen katalyysiaktiivisuutta tutkittiin syklisellä voltammetrialla vertaamalla musteen aktiivisuutta puhtaasta hiilimustasta (Vulcan XC-72R) valmistettuun musteeseen sekä aktiivisessa että ei-aktiivisessa elektrolyytissä. Myös suora metanolipolttokennoprototyyppi rakennettiin käyttäen Pt-Ru/C-pohjaista mustetta.

Tulokset tukevat valmistetun musteen sopivuutta passiivin metanolimembraanielektrodikokoonpanon valmistamiseen, toisaalta lisätutkimusta vaaditaan tulostuskomponenttien yhteen liittämiseen kokoonpanossa.