Тест на довговічність та дослідження мембрани обміну протоном для паливних елементів

Анотація:Мембрана Proton Exchange (PEM)є основним компонентом паливних елементів. З метою вивчення впливу зв'язку хімічного та механічного напруження на ПЕМ у цій роботі запропоновано циклічну напругу відкритого контуру (COCV) (AST). Довговічність ПЕМ була випробувана напругою відкритого ланцюга (OCV), циклом мокрого сухого (RHC) та COCV. Проаналізували щільність струму проникнення водню та напруга відкритого ланцюга PEM, а невдалий ПЕМ характеризувався вимірюванням інфрачервоної температури та скануючою електронною мікроскопією (SEM). Ослаблення ПЕМ за трьох умов праці було досліджено. Результати показують, що напруга відкритого ланцюга одиночної клітини зменшилася на 5,3% після 504h експлуатації COCV, тоді як швидкість ослаблення напруги відкритого ланцюга в одній клітині після умов OCV та RHC становила 1,0% та 1,1% відповідно, що вказує на те, що умови COCV прискорювали деградації мембранного електрода. Аналіз показує, що потік проникнення водню PEM збільшувався, а товщина зменшувалася. Тому цей робочий стан може бути використаний як додаткове рішення для OCV та RHC, а ефект зчеплення хімічної та механічної деградації всебічно вивчається для PEM.

0. Вступ

В даний час паливні елементи розвиваються швидко у всьому світі і застосовуються у багатьох галузях, таких як транспортування, фіксоване джерело живлення та портативні пристрої. В автомобільному полі,Паливні елементи мембрани протону (PEMFC)привертали все більше уваги завдяки своїм перевагам, такими як нульові викиди, висока ефективність та швидкий запуск. Однак вартість та довговічність PEMFC все ще є основними перешкодами для його масштабної комерціалізації. Як основна складова паливних елементів,Мембрана Proton Exchange(PEM) в основному відіграє роль проведення протонів та розділення анодних та катодних газів. Його довговічність безпосередньо впливає на довговічність паливних елементів. Тому поглиблені дослідження довговічності ПЕМ мають велике значення для підвищення продуктивності паливних елементів.

PEM - це тонкий плівковий матеріал з іонною селективною проникністю. Його довговічність поділяється на два аспекти: хімічна довговічність та механічна довговічність. Його хімічна довговічність відноситься до здатності ПЕМ протистояти хімічній корозійній, окисленні та відновленні реакцій під час роботи паливного елемента; Механічна довговічність відноситься до здатності PEM підтримувати свою структурну цілісність та стабільність продуктивності, коли вони піддаються зовнішнім силам, таким як тиск і напруга. Аналогічно, механізм деградації ПЕМ під час роботи паливних елементів також поділяється на хімічну деградацію та механічну деградацію. Хімічна деградація ПЕМ викликається нападом вільних радикалів. Гідроксил (HO ·), перекис водню (Hoo ·) та водневі (H ·) вільні радикали вважаються потенційно шкідливими для мембрани. На перехресті водню та кисню на аноді або катоді паливного елемента H2O2 легко реагувати на генерування H2O2. Коли H2O2 стикається з іонами металів (㎡+), такими як Fe2+та Cu2+, він розкладається для генерації вільних радикалів. Вільні радикали атакують основний ланцюг та бічний ланцюг мембрани протонного обміну, тим самим викликаючи деградацію мембрани. Дослідження показали, що умови напруги відкритого ланцюга (OCV) можуть призвести до високого ступеня хімічної деградації, яка спеціально проявляється як місцеве витонченняМембрана Proton Exchangeі вивільнення фтору в стічних водах. Механічна деградація PEMS викликається змінами вмісту води в мембрані через зміни температури та вологості в паливному елементі. Зміни температури та вологості викликають циклічне розширення та скорочення мембрани, що спричиняє повзучість і втому мембрани протонового обміну і утворює тріщини, сльози та гонохи на поверхні мембрани.

Міністерство енергетики Сполучених Штатів (DOE) розробив стандартний прискорений стресовий тест (AST) дляМембрана Proton ExchangeДеградація для прискорення хімічної деградації та механічної деградації мембрани. Незважаючи на те, що ця тестова схема корисна для скринінгу та оптимізації ПЕМ, вони не можуть оцінити комбіновані ефекти умов, що виникають у ПЕМ під час роботи паливних елементів. Оскільки хімічна деградація та механічна деградація існують одночасно, зв'язок хімічних та механічних напружень посилить деградації мембран. Для того, щоб оцінити резистентність ПЕМ під з'єднанням хімічного напруження та механічного напруження, у цьому документі пропонується циклічна напруга відкритого контуру (COCV) AST. Довговічність мембрани протонного обміну була випробувана за цією умовою та порівняла з результатами випробувань мембрани протонів після OCV та відносної циклічної вологості (RHC) прискорені тести. Ослаблення мембрани обміну протоном при трьох умовах AST було досліджено за допомогою щільності струму проникнення водню та випробування напруги відкритого ланцюга, а також вимірювання інфрачервоної температури, скануючої електронної мікроскопії та інших методів характеристики та наслідки хімічної механічної деградації та їх з'єднання на довгостроковій мірі.

1. Експеримент

1.1 Асамблея по одній клітині

Одиночна клітина складається з мембранного електрода, герметичного проводу, графітової пластини, колектора струму та кінцевої пластини. Мембранний електрод складається з PEM та вуглецевого паперу з покриттям каталізатора. Каталізатор - це каталізатор PT/C з ефективною активною площею 44 см2. Поле потоку графітової пластини - це паралельне поле потоку. Три одиночні клітини були зібрані за допомогою одного і того ж процесу та матеріалів для паралельних тестування.

1,2 ATS умови праці

Умови праці тестів OCV та RHC в цьому експерименті стосуються плану тестування DOE, а конкретні умови тесту показані в таблиці 1. Під час тесту OCV щільність струму проникнення водню була випробувана кожні 48 годин, поки відкритий ланцюг не підтримувався протягом 500 годин; Під час тестування RHC одноколівка пробігла 2 хвилини сухого газу та 2 хвилини вологого газу протягом одного циклу, а щільність струму проникнення водню та випробування напруги відкритого ланцюга проводилися після кожні 2000 циклів, загалом 20 000 циклів.

Тест COCV - це поєднання тестів OCV та RHC. Відповідно до умов, показаних у таблиці 1, випробування OCV спочатку проводили протягом 5 годин, а потім тест RHC проводили протягом 1 години, включаючи 40 хвилин випробування на сухий газ і 20 хвилин випробування на мокрий газ. Завершення OCV та RHC - 1 цикл COCV. Щільність струму проникнення водню та випробування напруги відкритого ланцюга проводили після кожні 4 цикли COCV. Випробування було зупинено, коли напруга відкритого ланцюга однієї комірки знизилася до 20% від початкового значення або різко впала раптово.

1.3 Характеристика матеріалу

Після тесту на міцність в одній клітині інфрачервоний термометр був використаний для огляду невдалого мембранного електрода. Дві сторони мембранного електрода були відповідно водню та повітря. Якби мембрана протонової біржі була пошкоджена або мала шпильки, температура в цьому місці була б вище, ніж інші місця. Для спостереження та аналізу перехресного перерізу несправної мембрани обміну протоном був використаний скануючий електронний мікроскоп.

2. Результати та обговорення

2.1 Ослаблення напруги відкритого ланцюга

Фіг.1 - це графік, що показує зміну напруги відкритого ланцюга однієї комірки з кількістю циклів та часу після тесту циклу COCV. Як показано на малюнку 1, перед першими 80 циклами тесту COCV, напруга відкритого ланцюга однієї клітини коливалася між 0,936 В і 0,960 В, що вказує на те, що продуктивність акумулятора в основному була стабільною; Після 80 циклів тесту COCV, напруга відкритого контуру однієї клітини раптово сильно розпадається, що вказує на пошкодження мембрани протонового обміну, зі сльозами або шпильками, що призводить до раптового збільшення кількості проникнення водню. Щоб уникнути занадто низької напруги відкритого ланцюга, а проникнення водню серйозно під час наступних випробувань, що призвело б до прямої реакції між воднем та киснем, тест COCV проводився загалом 88 циклів, або 528 годин.

На малюнку 2 показана зміна напруги відкритого ланцюга однієї клітини до та після тестів OCV, RHC та COCV. Як показано на малюнку 2, швидкість розпаду напруги відкритого ланцюга одиночної комірки після повного тесту OCV протягом 500 годин, а тест RHC протягом 1333 годин становив 1,0% та 1,1% відповідно, а розпад напруги не був очевидним; У той час як швидкість розпаду напруги відкритого ланцюга після тесту COCV протягом 504 годин досягла 5,3%, що вказує на те, що схема ще більше прискорила деградацію мембранного електрода після комбінування хімічної деградації стаціонарного стану та механічного деградації періодичного циклу сухохлі, і що було очевидним феноменом з’єднання між хімічним деградацією та механізацією. Після хімічної деградації ПЕМ його молекулярний ланцюг розривається, що призводить до зміни його фізичної структури, що ще більше прискорює розпад механічних властивостей; І зниження механічних властивостей призведе до збільшення проникнення водню, тим самим генеруючи більше вільних радикалів та ще більше прискорюючи хімічну деградації ПЕМ. Видно, що, хоча PEM може відповідати вимогам хімічної міцності та механічної міцності відповідно, його довговічність залишається перевірити в практичних застосуванні.

2.2 Аналіз потоку проникнення водню

Крива зміни струму проникнення водню однієї клітини під час роботи в різних умовах праці показана на малюнку 3. Під час випробувань OCV та RHC PEM щільність струму проникнення водню не змінилася; Під час тесту COCV щільність струму проникнення водню збільшувалася від початкового значення 5,4 мА/см до 14,4 мА/см при 504 год. Відповідно до закону Фарадея, потік водню проникнення мембранного електрода може бути обчислений відповідно до формули J ---. Серед них ді -джей. - потік проникнення водню, 1. - струм проникнення водню, A - активна область мембранного електрода, F - константа Фарадея, а N - кількість електронів, отриманих або втрачених у реакції. Потік проникнення водню при 504H становить 7,44x10-8mol/см '· с. Значне збільшення проникнення водню свідчить про те, що продуктивність газового бар'єру PEM знизилася, а невеликі отвори утворилися в ПЕМ.

2.3 Аналіз характеристики матеріалу

Мембранний електрод після тесту COCV піддавався аналізу вимірювання температури інфрачервоної температури, і результати показані на малюнку 4. Як видно з малюнка 4, температура мембранного електрода поблизу сторони входу водню значно вища, ніж у інших областей, що вказує на те, що проникнення водню в цій області велика, тобто деградація ПЕМ більш серйозна. На малюнках 5 (а) та (b) показані зображення SEM SEM до та після тесту робочого стану COCV. Як видно з фігури, товщина ПЕМ знизилася з 15 мкм до 11 мкм після роботи робочого стану COCV, особливо катодний смоляний шар мембрани більш серйозно стоншений, стоншуючи приблизно на 40%. Видно, що основною причиною відмови мембранного електрода є хімічна деградація під час роботи робочого стану, що призводить до витончення ПЕМ, особливо катодного смоляного шару. Це пояснюється тим, що тиск на вході водню вище, ніж в інших частинах мембранного електрода, і концентрація водню, що пронизується від анода до катода, вище, що виробляє більше вільних радикалів на катодній стороні мембранного електрода, тим самим прискорюючи хімічний розпад катодного шару PEM. У той же час, під час циклу сухого та вологого газу, сухий і вологий ступінь на вході водню сильно змінюється, що призводить до максимального механічного напруження на вході, що ще більше посилює розпад ПЕМ. Під дією хімічних та механічних коефіцієнтів з'єднання ПЕМ на вході водню з часом не вдається.

3. Висновок

У цій роботі використовуються умови COCV для перевірки довговічності ПЕМ та порівнюють результати тестів після прискорених тестів OCV та RHC. Після 504 год роботи в умовах COCV напруга відкритого ланцюга одиночної клітини зменшилася на 5,3%, тоді як швидкість ослаблення напруги відкритого ланцюга в одній клітині після повних випробувань OCV та RHC становила 1,0%та 1,1%відповідно, що вказує на те, що умови COCV прискорювали деградації мембранного електрода. Щільність струму водню та аналіз SEM показують, що потік водню PEM збільшується і товщина зменшується. Тому цей стан COCV може бути використаний як додаткове рішення умов OCV та RHC, а з’єднання хімічної та механічної деградації інтегрується для проведення прискорених досліджень стресових тестів на мембранах протонів.