Testul de durabilitate și cercetarea membranei de schimb de protoni pentru celulele de combustibil

Abstract:Membrană de schimb de protoni (PEM)este componenta de bază a celulelor de combustibil. Pentru a studia efectul cuplării stresului chimic și mecanic asupra PEM, în această lucrare este propus un tensiune de tensiune accelerată de tensiune ciclică (COCV) (AST). Durabilitatea PEM a fost testată prin tensiune de circuit deschis (OCV), ciclu de uscare umedă (RHC) și COCV. Au fost analizate densitatea curentului de permeație a hidrogenului și performanța tensiunii circuitului deschis a PEM, iar PEM -ul eșuat a fost caracterizat prin măsurarea temperaturii infraroșii și prin microscopie electronică de scanare (SEM). Atenuarea PEM în trei condiții de muncă a fost investigată. Rezultatele arată că tensiunea circuitului deschis a celulelor unice a scăzut cu 5,3% după 504 ore de funcționare COCV, în timp ce ratele de atenuare a tensiunii circuitului deschis ale celulelor unice după condițiile OCV și RHC au fost de 1,0% și, respectiv, 1,1%, ceea ce indică faptul că condițiile COCV au accelerat degradarea electrodului cu membrană. Analiza arată că fluxul de permeație a hidrogenului PEM a crescut și grosimea a scăzut. Prin urmare, această afecțiune de lucru poate fi utilizată ca soluție suplimentară pentru OCV și RHC, iar efectul de cuplare al degradării chimice și mecanice este studiat în mod cuprinzător pentru PEM.

0. Introducere

În prezent, celulele de combustibil se dezvoltă rapid în întreaga lume și au fost aplicate în multe domenii, cum ar fi transportul, sursa de alimentare fixă ​​și dispozitivele portabile. În câmpul auto,Celule de combustibil cu membrană de schimb de protoni (PEMFC)au atras din ce în ce mai multă atenție datorită avantajelor lor, cum ar fi emisiile zero, eficiența ridicată și pornirea rapidă. Cu toate acestea, costul și durabilitatea PEMFC sunt în continuare principalele obstacole pentru comercializarea sa pe scară largă. Ca componentă de bază a celulelor de combustibil,Membrană de schimb de protoni(PEM) joacă în principal rolul de a conduce protoni și de separare a gazelor de anod și catod. Durabilitatea sa afectează în mod direct durabilitatea celulelor de combustibil. Prin urmare, cercetările aprofundate privind durabilitatea PEM are o importanță deosebită pentru îmbunătățirea performanței celulelor de combustibil.

PEM este un material de film subțire cu permeabilitate selectivă ionică. Durabilitatea sa este împărțită în două aspecte: durabilitatea chimică și durabilitatea mecanică. Durabilitatea sa chimică se referă la capacitatea PEM de a rezista coroziunii chimice, oxidarea și reacțiile de reducere în timpul funcționării celulei de combustibil; Durabilitatea mecanică se referă la capacitatea PEM de a -și menține integritatea structurală și stabilitatea performanței atunci când este supusă forțelor externe, cum ar fi presiunea și tensiunea. În mod similar, mecanismul de degradare a PEM în timpul funcționării celulelor de combustibil este, de asemenea, împărțit în degradarea chimică și degradarea mecanică. Degradarea chimică a PEM este cauzată de atacul radicalului liber. Au fost considerați că hidroxilul (Ho ·), peroxidul de hidrogen (HOO ·) și hidrogenul (H ·) au fost considerați a fi potențial dăunători pentru membrană. La intersecția de hidrogen și oxigen la anodul sau catodul celulei de combustibil, H2O2 este ușor reacționat pentru a genera H2O2. Când H2O2 întâlnește ioni metalici (㎡+), cum ar fi Fe2+și Cu2+, se descompune pentru a genera radicali liberi. Radicalii liberi atacă lanțul principal și lanțul lateral al membranei de schimb de protoni, provocând astfel degradarea membranei. Studiile au arătat că condițiile de tensiune a circuitului deschis (OCV) pot duce la un grad ridicat de degradare chimică, care se manifestă în mod specific ca subțierea locală aMembrană de schimb de protoniși eliberarea de fluor în apele uzate. Degradarea mecanică a PEM -urilor este cauzată de modificările conținutului de apă al membranei din cauza modificărilor de temperatură și umiditate în celula de combustibil. Modificările de temperatură și umiditate determină expansiunea ciclică și contracția membranei, ceea ce provoacă fluajul și oboseala membranei de schimb de protoni și formează fisuri, lacrimi și găuri de pe suprafața membranei.

Departamentul de Energie al Statelor Unite (DOE) a dezvoltat un test standard de stres accelerat (AST) pentruMembrană de schimb de protonidegradarea pentru a accelera degradarea chimică și degradarea mecanică a membranei. Deși această schemă de testare este utilă pentru screeningul și optimizarea PEM -urilor, acestea nu pot evalua efectele combinate ale condițiilor întâlnite de PEM în timpul funcționării celulelor de combustibil. Deoarece degradarea chimică și degradarea mecanică există simultan, cuplarea tensiunilor chimice și mecanice va agrava degradarea membranei. Pentru a evalua rezistența PEM sub cuplarea tensiunii chimice și a stresului mecanic, această lucrare propune o condiție AST a circuitului deschis ciclic (COCV). Durabilitatea membranei de schimb de protoni a fost testată în această condiție și comparată cu rezultatele testelor membranei de schimb de protoni după teste accelerate OCV și Humidity Cycling (RHC). Atenuarea membranei de schimb de protoni în trei condiții AST a fost investigată prin densitatea curentului de permeare a hidrogenului și teste de tensiune a circuitului deschis, precum și măsurarea temperaturii infraroșii, microscopia electronică de scanare și alte metode de caracterizare și efectele degradării chimice, mecanice și cuplajul acestora asupra durabilității membranei de schimb de protoni.

1. Experiment

1.1 Ansamblu cu o singură celulă

Celula unică este formată dintr -un electrod cu membrană, un fir de etanșare, o placă de grafit, un colector de curent și o placă de capăt. Electrodul cu membrană este format dintr-un PEM acoperit cu catalizator și hârtie de carbon. Catalizatorul este un catalizator PT/C cu o zonă activă eficientă de 44 cm2. Câmpul de curgere a plăcii de grafit este un câmp de curgere paralel. Trei celule unice au fost asamblate folosind același proces și materiale pentru testarea paralelă.

1.2ast condiții de muncă

Condițiile de lucru ale testelor OCV și RHC din acest experiment se referă la planul de testare DOE, iar condițiile specifice de testare sunt prezentate în tabelul 1. În timpul testului OCV, densitatea curentului de permeabilitate a hidrogenului a fost testată la fiecare 48 de ore până la menținerea circuitului deschis timp de 500 de ore; În timpul testului RHC, celula unică a rulat 2 minute de gaz uscat și 2 minute de gaz umed pentru un ciclu, iar densitatea curentului de permeabilitate a hidrogenului și testele de tensiune a circuitului deschis au fost efectuate după fiecare 2000 de cicluri, pentru un total de 20.000 de cicluri.

Testul COCV este o combinație de teste OCV și RHC. În funcție de condițiile prezentate în tabelul 1, testul OCV a fost efectuat mai întâi timp de 5 ore, iar apoi testul RHC a fost efectuat timp de 1 oră, inclusiv 40 de minute de testare a gazelor uscate și 20 de minute de test de gaze umede. Finalizarea OCV și RHC este de 1 ciclu COCV. Densitatea curentului de permeare a hidrogenului și testul de tensiune a circuitului deschis au fost efectuate după fiecare 4 cicluri COCV. Testul a fost oprit atunci când tensiunea circuitului deschis a celulelor unice a scăzut la 20% din valoarea inițială sau a scăzut brusc brusc.

1.3 Caracterizarea materialului

După testul de durabilitate a celulelor unice, a fost utilizat un termometru infraroșu pentru a inspecta electrodul cu membrană eșuată. Cele două părți ale electrodului membranei au fost hidrogen și, respectiv, aer. Dacă membrana de schimb de protoni ar fi deteriorată sau ar avea găuri, temperatura în acea locație ar fi mai mare decât alte locații. Un microscop electronic de scanare a fost utilizat pentru a observa și analiza secțiunea transversală a membranei de schimb de protoni eșuate.

2. Rezultate și discuții

2.1 Atenuarea tensiunii circuitului deschis

Figura 1 este un grafic care arată schimbarea tensiunii circuitului deschis a unei singure celule cu numărul de cicluri și timp după testul ciclului COCV. Așa cum se arată în figura 1, înainte de primele 80 de cicluri ale testului COCV, tensiunea circuitului deschis a celulelor unice a fluctuat între 0,936V și 0,960V, ceea ce indică faptul că performanța bateriei a fost practic stabilă; După 80 de cicluri ale testului COCV, tensiunea circuitului deschis a unei singure celule a descompus brusc grav, ceea ce indică faptul că membrana de schimb de protoni a fost deteriorată, cu lacrimi sau găuri, ceea ce a dus la o creștere bruscă a cantității de permeație a hidrogenului. Pentru a evita tensiunea circuitului deschis să fie prea scăzută, iar permearea hidrogenului este gravă în timpul testelor ulterioare, ceea ce ar duce la reacția directă între hidrogen și oxigen, testul COCV a fost efectuat pentru un total de 88 de cicluri sau 528 ore.

Figura 2 prezintă modificarea tensiunii circuitului deschis a celulelor unice înainte și după testele OCV, RHC și COCV. Așa cum se arată în figura 2, ratele de descompunere a tensiunii circuitului deschis ale celulelor unice după testul OCV complet timp de 500 de ore și testul RHC timp de 1333 ore au fost 1,0% și, respectiv, 1,1%, iar decăderea tensiunii nu a fost evidentă; În timp ce rata de descompunere a tensiunii circuitului deschis după testul COCV timp de 504 ore a ajuns la 5,3%, ceea ce indică faptul că schema a accelerat în continuare degradarea electrodului de membrană după combinarea degradării chimice a OCV în stare constantă și degradarea mecanică a ciclului umedului uscat și a unei degradări mecanice. După degradarea chimică a PEM, lanțul său molecular se rupe, ceea ce duce la modificări ale structurii sale fizice, ceea ce accelerează și mai mult degradarea proprietăților mecanice; iar scăderea proprietăților mecanice va duce la o creștere a permeației hidrogenului, generând astfel mai mulți radicali liberi și accelerând în continuare degradarea chimică a PEM. Se poate observa că, deși PEM poate satisface cerințele durabilității chimice și, respectiv, durabilitatea mecanică, durabilitatea sa rămâne de verificat în aplicații practice.

2.2 Analiza fluxului de permeație a hidrogenului

Curba de schimbare a densității curentului de permeație a hidrogenului unei singure celule în timpul funcționării în condiții de muncă diferite este prezentată în figura 3. În timpul testelor OCV și RHC ale PEM, densitatea curentului de permeație a hidrogenului nu s -a schimbat prea mult; În timpul testului COCV, densitatea curentului de permeație a hidrogenului a crescut de la valoarea inițială de 5,4mA/cm la 14,4mA/cm la 504H. Conform legii lui Faraday, fluxul de permeație a hidrogenului electrodului cu membrană poate fi calculat conform formulei j ---. Printre ei, DJ. este fluxul de permeație a hidrogenului, 1. Este curentul de permeație a hidrogenului, A este zona activă a electrodului membranei, F este constanta Faraday, iar n este numărul de electroni câștigați sau pierduți în reacție. Fluxul de permeație a hidrogenului la 504H este de 7,44x10-8mol/cm '· s. Creșterea semnificativă a permeației de hidrogen indică faptul că performanța barierei de gaz a PEM a scăzut și s -au format găuri mici în PEM.

2.3 Analiza caracterizării materialelor

Electrodul de membrană după testul COCV a fost supus unei analize de măsurare a temperaturii infraroșii, iar rezultatele sunt prezentate în figura 4. După cum se poate observa din figura 4, temperatura electrodului de membrană în apropierea părții de intrare a hidrogenului este semnificativ mai mare decât cea a altor zone, ceea ce indică faptul că permeația hidrogenului din această zonă este mare, adică, degradarea PEM este mai serioasă. Figurile 5 (a) și (b) arată imaginile SEM în secțiune transversală ale PEM înainte și după testul de condiție de lucru COCV. După cum se poate observa din figură, grosimea PEM a fost redusă de la 15μm la 11μm după funcționarea condiției de funcționare a COCV, în special stratul de rășină catodică a membranei a fost subțiat mai serios, subțire cu aproximativ 40%. Se poate observa că principalul motiv al eșecului electrodului cu membrană este degradarea chimică în timpul funcționării condiției de lucru, care duce la subțierea PEM, în special a stratului de rășină catodică. Acest lucru se datorează faptului că presiunea la intrarea hidrogenului este mai mare decât cea din alte părți ale electrodului membranei, iar concentrația de hidrogen care pătrunde de la anod la catod este mai mare, ceea ce produce mai mulți radicali liberi pe partea catodului electrodului de membrană, accelerând astfel descompunerea chimică a stratului de rășină a catodului PEM. În același timp, în timpul ciclului de gaze uscate și umede, gradul uscat și umed la intrarea de hidrogen variază foarte mult, ceea ce duce la tensiunea mecanică maximă la intrare, agravând în continuare descompunerea PEM. În cadrul acțiunii factorilor de cuplare chimici și mecanici, PEM la intrarea de hidrogen nu reușește în cele din urmă.

3. Concluzie

Această lucrare folosește condiții COCV pentru a testa durabilitatea PEM și compară rezultatele testelor PEM după testele accelerate OCV și RHC. După 504 ore de funcționare în condiții de COCV, tensiunea circuitului deschis a celulelor unice a scăzut cu 5,3%, în timp ce ratele de atenuare a tensiunii circuitului deschis ale celulelor unice după testele OCV și RHC complete au fost de 1,0%și, respectiv, 1,1%, indicând că condițiile COCV au accelerat degradarea electrodului membranei. Densitatea curentului de permeație a hidrogenului și analiza SEM arată că fluxul de hidrogen al PEM crește și grosimea scade. Prin urmare, această afecțiune COCV poate fi utilizată ca soluție suplimentară la condițiile OCV și RHC, iar cuplarea degradării chimice și mecanice este integrată pentru a efectua cercetări accelerate de testare a stresului asupra membranelor de schimb de protoni.