Preizkus trajnosti in raziskave membrane protonske izmenjave za gorivne celice

Izvleček:Proton Exchange Membrana (PEM)je temeljna sestavina gorivnih celic. Za preučitev učinka sklopke kemičnega in mehanskega napetosti na PEM je v tem prispevku predlagan ciklični test napetosti na odprtem vezju (ACV) (AST) (AST). Trajnost PEM je bila testirana z napetostjo odprtega vezja (OCV), mokro suho cikel (RHC) in COCV. Analizirana sta bila gostota vodikovega permeacijskega toka in zmogljivost napetosti v odprtem vezju PEM, za neuspešno PEM pa je bila značilna infrardeča meritev temperature in skeniranje elektronske mikroskopije (SEM). Slabljenje PEM v treh delovnih pogojih je bilo raziskano. Rezultati kažejo, da se je napetost odprtega vezja enojne celice po 504h delovanja ACV zmanjšala za 5,3%, medtem ko sta bila stopnja slabljenja napetosti v odprtem vezju po enotni celici po pogojih OCV in RHC 1,0% oziroma 1,1%, kar kaže, da pogoji COCV pospešijo razgradnjo membranske elektrode. Analiza kaže, da se je pretok permeacije vodika povečal, debelina pa se je zmanjšala. Zato se lahko to delovno stanje uporabi kot dodatna rešitev za OCV in RHC, učinek združevanja kemične in mehanske razgradnje pa se celovito preučuje za PEM.

0. Uvod

Trenutno se gorivne celice hitro razvijajo po vsem svetu in so bile uporabljene na številnih področjih, kot so prevoz, fiksno napajanje in prenosne naprave. Na avtomobilskem poljuMembranske gorivne celice protona (PEMFC)so pritegnili vse več pozornosti zaradi svojih prednosti, kot so nič emisij, visoka učinkovitost in hiter zagon. Vendar sta stroški in trajnost PEMFC še vedno glavne ovire za njegovo obsežno komercializacijo. Kot temeljna sestavina gorivnih celic,Proton Exchange Membrana(PEM) ima v glavnem vlogo vodenja protonov in ločevanja anodnih in katodnih plinov. Njegova trajnost neposredno vpliva na trajnost gorivnih celic. Zato so poglobljene raziskave o trajnosti PEM zelo pomembne za izboljšanje učinkovitosti gorivnih celic.

PEM je tanek filmski material z ionsko selektivno prepustnostjo. Njegova trajnost je razdeljena na dva vidika: kemična trajnost in mehanska trajnost. Njegova kemična trajnost se nanaša na sposobnost PEM, da se med delovanjem gorivne celice upira kemični koroziji, oksidaciji in redukcije; Mehanska vzdržljivost se nanaša na sposobnost PEM, da ohrani svojo strukturno celovitost in stabilnost uspešnosti, če je podvržena zunanjim silam, kot sta tlak in napetost. Podobno je mehanizem razgradnje PEM med delovanjem gorivnih celic razdeljen tudi na kemično razgradnjo in mehansko razgradnjo. Kemična razgradnja PEM povzroča napad prostega radikala. Šteje se, da so hidroksil (HO ·), vodikov peroksid (HOO ·) in vodik (H ·) prosti radikali za membrano potencialno škodljivi. Na presečišču vodika in kisika na anodi ali katodi gorivne celice se H2O2 zlahka reagira, da ustvari H2O2. Ko H2O2 naleti na kovinske ione (㎡+), kot sta Fe2+in Cu2+, se razgradi, da ustvari proste radikale. Prosti radikali napadajo glavno in stransko verigo membrane protonske izmenjave, s čimer povzroči razgradnjo membrane. Študije so pokazale, da pogoji napetosti v odprtem vezju (OCV) lahko privedejo do visoke stopnje razgradnje kemikalije, ki se posebej kaže kot lokalno redčenjeProton Exchange Membranain sproščanje fluorida v odpadni vodi. Mehansko razgradnjo PEM -jev povzročajo spremembe vsebnosti vode v membrani zaradi sprememb temperature in vlažnosti v gorivni celici. Spremembe temperature in vlažnosti povzročajo ciklično širitev in krčenje membrane, kar povzroča lezenje in utrujenost protonske izmenjevalne membrane in tvori razpoke, solze in luknje na površini membrane.

Ministrstvo za energijo ZDA (DOE) je razvilo standardni test pospešenega stresa (AST) zaProton Exchange Membranarazgradnja za pospešitev kemične razgradnje in mehanske razgradnje membrane. Čeprav je ta preskusna shema koristna za presejanje in optimizacijo PEM -jev, ne morejo oceniti kombiniranih učinkov pogojev, s katerimi se srečuje PEM, med delovanjem gorivnih celic. Ker hkrati obstajata kemična razgradnja in mehanska razgradnja, bo povezovanje kemičnih in mehanskih napetosti poslabšalo razgradnjo membrane. Da bi ocenili odpornost PEM pod povezovanjem kemijskega stresa in mehanskega stresa, ta članek predlaga ciklično napetost odprtega vezja (ACV) AST. Trajnost membrane protonske izmenjave je bila testirana v tem stanju in primerjana z rezultati testov protonske izmenjevalne membrane po pospešenih preskusih OCV in relativno vlažnostjo (RHC). Slabljenje membrane protonske izmenjave pod tremi pogoji AST je bilo raziskano z gostoto vodikovega prepustnega toka in preskusi napetosti odprtega vezja, pa tudi z merjenjem infrardeče temperature, skeniranjem elektronske mikroskopije in drugih metod karakterizacije ter učinkom kemične, mehanske razgradnje in njihovo povezovanje na trajnost na trajnost protonske membrane in njihovo povezovanje na vzdržljivost protonske izmenjave in njihovo povezovanje na trajnost protonske membrane in njihovo povezovanje na trajnost protonske membrane.

1. eksperiment

1.1 Sklop posameznih celic

Eno celico je sestavljeno iz membranske elektrode, tesnilne žice, grafitne plošče, trenutnega kolektorja in končne plošče. Membransko elektrodo je sestavljeno iz pem in ogljikovega papirja, prevlečenega s katalizatorjem. Katalizator je PT/C katalizator z učinkovito aktivno območje 44 cm2. Polje pretoka grafitne plošče je vzporedno pretočno polje. Tri posamezne celice so bile sestavljene z istim postopkom in materiali za vzporedno testiranje.

1.2AST DELOVNI POGOJI

Delovni pogoji testov OCV in RHC v tem poskusu se nanašajo na preskusni načrt DOE, specifični preskusni pogoji pa so prikazani v tabeli 1. Med testom OCV je bila gostota permeacijskega toka vodika preizkušena vsakih 48 ur, dokler se odprti vezje ni vzdrževalo 500 ur; Med testom RHC je eno celico tekel 2 minuti suhega plina in 2 minuti mokrega plina za en cikel, gostota permeacijskega toka vodika in napetostni preskusi odprtega vezja pa so bili izvedeni po vsakih 2000 ciklih, za skupno 20.000 ciklov.

Test ACV je kombinacija testov OCV in RHC. Glede na pogoje, prikazane v preglednici 1, je bil test OCV prvič opravljen 5 ur, nato pa je bil RHC test izveden 1 uro, vključno s 40 minutami preskusa suhega plina in 20 minutami mokrega plina. Dokončanje OCV in RHC je 1 cikel ACV. Gostota permeacijskega toka vodika in test napetosti odprtega vezja sta bila izvedena po vsakih 4 ciklih COCV. Test je bil ustavljen, ko je napetost odprtega vezja enojne celice padla na 20% začetne vrednosti ali nenadoma padla.

1.3 Karakterizacija materiala

Po preskusu ene celične trajnosti smo uporabili infrardeči termometer za pregled neuspele membranske elektrode. Obe strani membranske elektrode sta bili vodik in zrak. Če bi bila membrana protonske izmenjave poškodovana ali ima luknje, bi bila temperatura na tej lokaciji višja od drugih lokacij. Za opazovanje in analizo preseka neuspele membrane protonske izmenjave je bil uporabljen skenirni elektronski mikroskop.

2. Rezultati in razprava

2.1 Slabljenje napetosti odprtega vezja

Slika 1 je graf, ki prikazuje spremembo napetosti odprtega vezja ene celice s številom ciklov in časom po testu cikla COCV. Kot je prikazano na sliki 1, je pred prvimi 80 cikli preskusa ACV je napetost odprtega vezja enotne celice nihala med 0,936V in 0,960V, kar kaže, da je bila zmogljivost baterije v osnovi stabilna; Po 80 ciklih testa COCV je napetost odprtega vezja posamezne celice nenadoma močno propadla, kar kaže, da je bila membrana protonske izmenjave poškodovana, s solzami ali luknjami, kar je povzročilo nenadno povečanje količine prepustnosti vodika. Da bi se izognili, da je napetost odprtega vezja prenizka in je bila prepustnost vodika med nadaljnjimi preskusi resna, kar bi privedlo do neposredne reakcije med vodikom in kisikom, je bil test ACV izveden skupno 88 ciklov ali 528 ur.

Slika 2 prikazuje spremembo napetosti odprtega vezja posamezne celice pred in po preskusih OCV, RHC in COCV. Kot je prikazano na sliki 2, sta bila stopnja razpadanja napetosti odprtega vezja po celotnem preskusu OCV 500 ur in RHC testu 1333 ur 1,0% oziroma 1,1%, razpad napetosti pa ni bila očitna; Medtem ko je hitrost razpadanja napetosti odprtega vezja po preskusu ACV za 504 ur dosegla 5,3%, kar kaže, da je shema še dodatno pospešila razgradnjo membranske elektrode, potem ko je združila kemično razgradnjo stabilnega stanja OCV in mehansko razgradnjo periodičnega cikla suhega motorja in da je bila navidezna združevanje. Po kemični razgradnji PEM se njegova molekularna veriga zlomi, kar ima za posledico spremembe njegove fizične strukture, kar še dodatno pospeši razpadanje mehanskih lastnosti; in upad mehanskih lastnosti bo privedel do povečanja prepustnosti vodika, s čimer bo ustvaril več prostih radikalov in še dodatno pospešil kemično razgradnjo PEM. Vidimo, da čeprav lahko PEM izpolnjuje zahteve po kemični vzdržljivosti in mehanska trajnost, je treba njeno trajnost še vedno preveriti v praktičnih aplikacijah.

2.2 Analiza pretoka vodika

Krivulja spreminjanja gostote permeacijskega toka vodika med delovanjem v različnih delovnih pogojih je prikazana na sliki 3. Med preskusi OCV in RHC PEM se gostota permeacijskega toka vodika ni veliko spremenila; Med testom COCV se je gostota permeacijskega toka vodika povečala z začetne vrednosti 5,4mA/cm na 14,4mA/cm pri 504H. Po Faradayjevem zakonu lahko pretok vodika membranske elektrode izračunamo po formuli j ---. Med njimi, DJ. je pretok vodika, 1. je vodikov permeacijski tok, a je aktivno območje membranske elektrode, F je faraday konstanta, n pa je število pridobljenih ali izgubljenih elektronov v reakciji. Tok permeacije vodika pri 504H je 7,44x10-8mol/cm '· s. Pomembno povečanje prepustnosti vodika kaže na to, da se je zmogljivost PENSKE PEM zmanjšala in v PEM so nastale majhne luknje.

2.3 Analiza karakterizacije materiala

Membranska elektroda po preskusu ACV je bila podvržena analizi infrardeče temperaturne temperaturne analize, rezultati pa so prikazani na sliki 4. Kot je razvidno iz slike 4, je temperatura membranske elektrode v bližini vhodne strani vodika bistveno višja od temperature drugih območij, kar kaže, da je prepustnost vodika večja. Slike 5 (a) in (b) prikazujejo slike SEM preseka PEM pred in po testu delovnega stanja COCV. Kot je razvidno iz slike, se je debelina PEM po operaciji delovnega stanja ACV zmanjšala s 15 μm na 11 μm, zlasti katodna plast smole membrane se resneje redči in redči za približno 40%. Vidimo, da je glavni razlog za odpoved membranske elektrode kemična razgradnja med delovnim stanjem, kar vodi v redčenje PEM, zlasti plasti katodne smole. To je zato, ker je tlak na dovodu vodika višji kot na drugih delih membranske elektrode, koncentracija vodika, ki se prežema od anode do katode, pa je višja, kar proizvaja več prostih radikalov na strani katode membranske elektrode in s tem pospeši kemično razpadanje rezinskega plasti katode. Hkrati se med suhim in mokrim plinskim ciklom suha in mokra stopnja na dovodu vodika močno razlikuje, kar ima za posledico največji mehanski stres na dovodu, kar še poslabša propadanje PEM. Pod delovanjem kemičnih in mehanskih faktorjev spajanja PEM na vhodu vodika sčasoma ne uspe.

3. Zaključek

Ta članek uporablja pogoje COCV za testiranje trajnosti PEM in primerja rezultate preskusov PEM po pospešenih testih OCV in RHC. Po 504h delovanja v pogojih COCV se je napetost odprtega vezja enojne celice zmanjšala za 5,3%, medtem ko so bile stopnje slabljenja napetosti v odprtem vezju enojne celice po popolnih preskusih OCV in RHC 1,0%oziroma 1,1%, kar kaže, da so pogoji COCV pospešili razgradnjo membranske elektrode. Gostota toka vodika in analiza SEM kažeta, da se vodikov tok PEM poveča in debelina zmanjša. Zato lahko to stanje COCV uporabimo kot dodatno rešitev za pogoje OCV in RHC, združevanje kemične in mehanske razgradnje pa je integrirano za izvajanje pospešenih raziskav stresnih testov na membranah protonske izmenjave.