Тест издржљивости и истраживање мембране протонске размене за горивне ћелије

Сажетак:Мембрана за размену протона (ПЕМ)је основна компонента горивних ћелија. Да би се проучавао ефекат спајања хемијских и механичких стреса на ПЕМ-у, у овом раду се у овом раду предлаже циклични напон на отвореном на отвореном (АСТ). Трајност ПЕМ-а тестирана је напоном отвореног круга (ОЦВ), мокро-сувим циклусом (РХЦ) и ЦОЦВ. Анализирана је густина пропустеновања водоника и напон ПЕМ-а, а неуспели ПЕМ је карактерисао инфрацрвену мерење температуре и скенирање електронске микроскопије (СЕМ). Испитивана је пригушење ПЕМ-а под три радна услова. Резултати показују да је напон отвореног круга појединачне ћелије смањен за 5,3% након 504Х оперативне стопе на отвореном, док су стопе пригушивања напона на отвореном по јединственом ћелији након од 1,0%, односно 1,0% и 1,1%, ревидивши да су услови за котак убрзали да убрзају разградњу мембранске електроде. Анализа показује да се ток водоника ПЕМ повећао и дебљина се смањила. Стога се ово радно стање може користити као додатни решење за ОЦВ и РХЦ, а ефекат спајања хемијске и механичке деградације свеобухватно је проучен за ПЕМ.

0. Увод

Тренутно се гориво брзо развијају широм света и примењени су у многим областима као што су превоз, фиксне напајање и преносиви уређаји. У аутомобилском пољу,Мембране за мембране протонске мере (ПЕМФЦ)привукли су више и више пажње због њихових предности као што су нулта емисија, висока ефикасност и брзо покретање. Међутим, трошкови и трајност ПЕМФЦ-а и даље су главне препреке у великој комерцијализацији. Као основна компонента горивних ћелија,Мембрана за размену протона(ПЕМ) углавном игра улогу провођења протона и одвајању аноде и катода гасова. Његова трајност директно утиче на трајност горивних ћелија. Стога је дубинско истраживање о трајности ПЕМ-а од великог значаја за побољшање перформанси горивних ћелија.

ПЕМ је танки филмски материјал са мионском селективном пропусношћу. Његова трајност је подељена на два аспекта: хемијска трајност и механичка издржљивост. Његова хемијска трајност односи се на способност ПЕМ-а да се одупире хемијским корозијским, оксидацијским и смањеним реакцијама током рада горивне ћелије; Механичка издржљивост односи се на способност ПЕМ-а како би се одржао свој структурни интегритет и стабилност перформанси када су подвргнути спољним силама као што су притисак и напетост. Слично томе, механизам разградње ПЕМ-а током операције горивне ћелије такође је подељен на хемијску деградацију и механичку деградацију. Хемијска разградња ПЕМ-а проузрокована је слободном радикалном нападом. Хидроксил (ХО ·), водоник пероксид (хоо ·) и водоник (Х ·) Сматра се да су бесплатни радикали потенцијално штетни за мембрану. На раскрсници водоника и кисеоника на аноди или катоде горивне ћелије, Х2О2 се лако реагује на генерисање Х2О2. Када Х2О2 наиђе на металне јоне (㎡ +), као што је ФЕ2 + и ЦУ2 +, распада се да генерише слободне радикале. Слободни радикали нападају главну ланцу ланца и бочни ланац мембране протонске размене, чиме је проузроковало деградацију мембране. Студије су показале да услови напона отвореног круга (ОЦВ) могу довести до високог степена хемијске деградације, која се посебно манифестује као локално стањивањеМембрана за размену протонаи ослобађање флуорида у отпадне воде. Механичка разградња ПЕМ-ова проузрокована је променама у садржају воде мембране због промена температуре и влажности у горивној ћелији. Промјене температуре и влажности узрокују цикличку експанзију и контракцију мембране, што узрокује пузање и умор мембране протонске размене и формира пукотине, сузе и рох на површини мембране.

Министарство за енергетику Сједињених Држава (Дое) развио је стандардни убрзани тест стреса (АСТ) заМембрана за размену протонаДеградација за убрзање хемијске разградње и механичке разградње мембране. Иако је ова тестна шема корисна за скрининги и оптимизацију ПЕМ-а, оне не могу да процене комбиноване ефекте услова који су се сусрели са ПЕМ-ом током операције горивних ћелија. Пошто истовремено постоје хемијска разградња и механичка деградација, спојница хемијских и механичких напона погоршаће мембранску деградацију. Да би се проценила отпорност ПЕМ-а под спајање хемијским стресом и механичким стресом, овај рад предлаже циклични напон отвореног круга (ЦОТВ) АСТ стања. Издржљивост мембране протонске размене тестирана је у складу са овим стањем и у поређењу са резултатима испитивања мембране протонске размене након ОЦВ-а и релативна влага бициклизам (РХЦ) убрзани тестови. Пригушење мембране протонске размене под три АСТ услова је истражено густоћом водонигестичке густине и тестовима на отвореном, као и инфрацрвеном мерењу температуре, скенирањем електронске микроскопије и друге методе карактеризације и ефекти хемијске, механичке деградације и њихове хемијске, механичке разградње и њихово повезивање мембране протумарије проучавања.

1. Експеримент

1.1 Скупштина појединачне ћелије

Једна ћелија се састоји од мембранске електроде, заптивна жица, графитне плоче, тренутног колектора и крајње плоче. Мембранска електрода састоји се од ПЕМ-а са катализатором и карбоном. Катализатор је ПТ / Ц катализатор са ефикасном активном површином од 44 цм2. Поље протока графите плоче је паралелни проток. Три појединачне ћелије су се монтиране користећи исти процес и материјале за паралелно тестирање.

1.2 Услови рада

Радни услови ОЦВ-а и РХЦ тестова у овом експерименту односе се на план испитивања Дое-а, а специфични услови испитивања приказани су у Табели 1. Током теста ОЦВ-а, густина пропустеновања водоника је тестирана сваких 48 сати док се отворени круг не одржава за 500 сати. Током РХЦ теста, појединачна ћелија је трчала 2 минуте сувог гаса и 2 минута влажног гаса за један циклус, а на сваком 2000 циклусима, а тестови промашавања водоника и тестови водоника и напонски напон обављени су након сваког 2000 циклуса, укупно 20.000 циклуса.

ЦОТВ тест је комбинација ОЦВ и РХЦ тестова. Према условима приказаним у Табели 1, ОЦВ тест је први пут извршен 5 сати, а затим је РХЦ тест изведен током 1 сата, укључујући 40 минута сувог теста сувог гаса и 20 минута тестирања влажног гаса. Завршетак ОЦВ-а и РХЦ-а је 1 цОТВ циклус. Густина густине пропустеновања водоника и тест напона на отвореном извршене су након сваког 4 ЦОПВ циклуса. Тест је заустављен када напон отвореног круга појединачне ћелије пао на 20% почетне вредности или је нагло опао нагло.

1.3 карактеризација материјала

Након теста издржљивости са једном ћелијом, инфрацрвени термометар је коришћен за увид у неуспели мембрански електрод. Две стране мембранске електроде су биле водоник и ваздух. Ако је мембрана за размену протона оштећена или имала причврсница, температура на тој локацији била би већа од осталих локација. Скенирању електронског микроскопа коришћен је за посматрање и анализе пресека неуспеле мембране за размену протона.

2 Резултати и дискусија

2.1 Пригушење напона отвореног круга

Слика 1 је графикон који приказује промену напона отвореног круга једне ћелије са бројем циклуса и временом након испитивања цОТВ циклуса. Као што је приказано на слици 1, пре првих 80 циклуса ЦОТВ теста, напон отвореног круга са једном ћелијом срушио је између 0,936В и 0,960В, што указује да су перформансе батерије у основи стабилни; Након 80 циклуса ЦОТВ теста, напон отвореног круга нагло је тешко пропадао, указује да је оштећена мембрана за размену протона, са сузама или приколицама, што резултира изненадном повећањем количине водониге. Да би се избегло напон отвореног круга пренизак, а прожимача водоника озбиљно је то током наредних тестова, што би довело до директне реакције између водоника и кисеоника, проведено је на укупно 88 циклуса, или 528 сати.

Слика 2 приказује промену напона отвореног круга једне ћелије пре и после ОЦВ-а, РХЦ-а и ЦОЦВ тестова. Као што је приказано на слици 2, стопе пропадања напона отвореног круга након комплетног ОЦВ теста за 500 сати и РХЦ тест за 1333 сати било је 1,0% и 1,1%, односно, односно напонски пропадање није очигледан; while the open circuit voltage decay rate after the COCV test for 504 hours reached 5.3%, indicating that the scheme further accelerated the degradation of the membrane electrode after combining the chemical degradation of the steady-state OCV and the mechanical degradation of the periodic dry-wet cycle, and that there was an obvious coupling phenomenon between chemical degradation and mechanical degradation. После хемијске деградације ПЕМ-а, његов молекуларни ланац паузе, што резултира променама у својој физичкој структури, што додатно убрзава пропадање механичких својстава; А пад механичких својстава довешће до повећања прожимације водоника, чиме се ствара више слободних радикала и даље убрзавање хемијске деградације ПЕМ-а. Може се видети да иако иако ПЕМ може да испуни захтеве хемијске трајности и механичке трајности, односно трајност остаје да се верификује у практичним апликацијама.

2.2 Анализа токара водоника

Промјена густине променљивања водоника Кривуља једне ћелије током рада у различитим условима рада приказана је на слици 3. Током ОЦВ-а и РХЦ тестова ПЕМ-а, густина пропустеновања водоника се не мења много; Током теста ЦОТВ-а, густина пропустеновног програма водоника је порасла са почетне вредности 5,4мА / цм на 14.4МА / цм на 504Х. Према Фарадаи-овом закону, ток водоника за мембране електроде може се израчунати у складу са формулом Ј ---. Међу њима, ДЈ. Да ли је ток за продирање водоника, 1. је струја водоника, А је активна површина мембранске електроде, Ф је Фарадаи Цонстант, а н је број електрона добијених или изгубљених у реакцији. Флукс токације водоника на 504Х је 7,44к10-8МОЛ / цм '· с. Значајно повећање пропустања водоника указује да се перформансе ПЕМ-а за гасне баријере смањене и мале рупе су формиране у ПЕМ-у.

2.3 Анализа карактеризација материјала

Мембранска електрода након што је ЦОТВ тест подвргнут инфрацрвеној анализи мерења температуре, а резултати су приказани на слици 4. Као што се може видети са слике 4, а температура мембранске електроде у близини хидрогене електроде је значајно већа од оне од осталих подручја, што је, што је то, што је продирање водоника у овој области озбиљнији. Слике 5 (а) и (б) приказују попречне сексечке сем слике ПЕМ-а пре и после теста радног стања цоцв. Као што се може видети са цифре, дебљина ПЕМ-а смањена је са 15 на 11 уМ након операције радног стања ЦОТВ-а, посебно слој резовијских смола катоде мембране је разређен озбиљнијом, стањивање за око 40%. Може се видети да је главни разлог за неуспех мембранске електроде хемијска деградација током рада радног стања, што доводи до стањивања ПЕМ-а, посебно слоја сезоне катоде. То је зато што је притисак на улазу водоника већа од оних у другим деловима мембранске електроде, а концентрација водоника са аноде до катоде је већа, што производи више слободних радикала на катодном страну мембранске електроде, убрзавајући чим убрзавање хемијског пропадања слоја пем катоде. У исто време, током сувог и влажног циклуса гаса, сува и морна степен на улазу у водонични отвор значајно варира, што резултира максималним механичким стресом на улазу, додатно погоршава пропадање ПЕМ-а. Под акцијом хемијских и механичких фактора спојнице, ПЕМ на улазу водоника на крају не успева.

3. Закључак

Овај рад користи услове ЦОТВ-а за тестирање трајности ПЕМ-а и упоређује резултате испитивања ПЕМ-а након убрзаних тестова ОЦВ-а и РХЦ-а. Након 504Х операције под условима ЦОТВ-а, напон отвореног круга је смањен за 5,3%, док су стопе пригушивања на отвореном кругу појединачне ћелије након потпуне ОЦВ и РХЦ тестове, односно 1,0% и 1,1%, ревидивши да су услови убрзали да су услови убрзали убрзали убрзали мембрански услови. Густина густине пропустеновног водоника и СЕМ анализа показују да се ток водоника повећава и дебљине опада. Стога се овај ЦОТВ стање може користити као допунски решење за ОЦВ и РХЦ услове, а спајање хемијске и механичке деградације интегрисано је за понашање убрзаног истраживања стреса на мембранама протонске размене.