Tibay ng pagsubok at pananaliksik ng proton exchange membrane para sa mga cell ng gasolina

Abstract:Proton Exchange Membrane (PEM)ay ang pangunahing sangkap ng mga cell ng gasolina. Upang pag -aralan ang epekto ng pagkabit ng kemikal at mekanikal na stress sa PEM, isang cyclic open circuit boltahe (COCV) na pinabilis na pagsubok sa stress (AST) ay iminungkahi sa papel na ito. Ang tibay ng PEM ay nasubok sa pamamagitan ng bukas na boltahe ng circuit (OCV), wet-dry cycle (RHC) at COCV. Ang hydrogen permeation kasalukuyang density at bukas na circuit boltahe na pagganap ng PEM ay nasuri, at ang nabigo na PEM ay nailalarawan sa pamamagitan ng pagsukat ng temperatura ng infrared at pag -scan ng mikroskopya ng elektron (SEM). Ang pagpapalambing ng PEM sa ilalim ng tatlong mga kondisyon sa pagtatrabaho ay sinisiyasat. Ipinapakita ng mga resulta na ang bukas na boltahe ng circuit ng solong cell ay nabawasan ng 5.3% pagkatapos ng 504h ng operasyon ng COCV, habang ang bukas na mga rate ng pagpapalambing ng boltahe ng solong cell pagkatapos ng mga kondisyon ng OCV at RHC ay 1.0% at 1.1%, ayon sa pagkakabanggit, na nagpapahiwatig na ang mga kondisyon ng COCV ay pinabilis ang pagbagsak ng lamad na elektrod. Ipinapakita ng pagsusuri na ang hydrogen permeation flux ng PEM ay nadagdagan at nabawasan ang kapal. Samakatuwid, ang kondisyong ito sa pagtatrabaho ay maaaring magamit bilang isang pandagdag na solusyon para sa OCV at RHC, at ang pagkabit na epekto ng kemikal at mekanikal na pagkasira ay komprehensibong pinag -aralan para sa PEM.

0. Panimula

Sa kasalukuyan, ang mga cell ng gasolina ay mabilis na umuunlad sa buong mundo at inilapat sa maraming mga patlang tulad ng transportasyon, naayos na supply ng kuryente at portable na aparato. Sa larangan ng automotiko,Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)mas nakakaakit ng pansin dahil sa kanilang mga pakinabang tulad ng zero emissions, mataas na kahusayan at mabilis na pagsisimula. Gayunpaman, ang gastos at tibay ng PEMFC ay pa rin ang pangunahing mga hadlang sa malakihang komersyalisasyon nito. Bilang pangunahing sangkap ng mga cell ng gasolina,Proton Exchange Membrane(PEM) Pangunahin ang gumaganap ng papel ng pagsasagawa ng mga proton at paghihiwalay ng mga gas ng anode at katod. Ang tibay nito ay direktang nakakaapekto sa tibay ng mga cell ng gasolina. Samakatuwid, ang malalim na pananaliksik sa tibay ng PEM ay may malaking kabuluhan sa pagpapabuti ng pagganap ng mga cell ng gasolina.

Ang PEM ay isang manipis na materyal ng pelikula na may mapiling pagkamatagusin ng ion. Ang tibay nito ay nahahati sa dalawang aspeto: tibay ng kemikal at tibay ng mekanikal. Ang tibay ng kemikal nito ay tumutukoy sa kakayahan ng PEM upang labanan ang kaagnasan ng kemikal, mga reaksyon ng oksihenasyon at pagbawas sa panahon ng pagpapatakbo ng cell ng gasolina; Ang tibay ng mekanikal ay tumutukoy sa kakayahan ng PEM upang mapanatili ang integridad ng istruktura at katatagan ng pagganap kapag sumailalim sa mga panlabas na puwersa tulad ng presyon at pag -igting. Katulad nito, ang mekanismo ng marawal na kalagayan ng PEM sa panahon ng operasyon ng cell ng gasolina ay nahahati din sa pagkasira ng kemikal at pagkasira ng mekanikal. Ang pagkasira ng kemikal ng PEM ay sanhi ng libreng pag -atake ng radikal. Ang Hydroxyl (HO ·), hydrogen peroxide (Hoo ·) at hydrogen (H ·) libreng mga radikal ay itinuturing na potensyal na nakakapinsala sa lamad. Sa intersection ng hydrogen at oxygen sa anode o katod ng fuel cell, ang H2O2 ay madaling gumanti upang makabuo ng H2O2. Kapag nakatagpo ng H2O2 ang mga metal ion (㎡+) tulad ng Fe2+at Cu2+, nabubulok ito upang makabuo ng mga libreng radikal. Ang mga libreng radikal ay umaatake sa pangunahing chain at side chain ng proton exchange membrane, sa gayon ay nagiging sanhi ng pagkasira ng lamad. Ipinakita ng mga pag -aaral na ang mga kondisyon ng bukas na circuit boltahe (OCV) ay maaaring humantong sa isang mataas na antas ng pagkasira ng kemikal, na partikular na ipinakita bilang lokal na pagnipis ngProton Exchange Membraneat ang pagpapakawala ng fluoride sa wastewater. Ang mekanikal na pagkasira ng mga PEM ay sanhi ng mga pagbabago sa nilalaman ng tubig ng lamad dahil sa mga pagbabago sa temperatura at kahalumigmigan sa cell ng gasolina. Ang mga pagbabago sa temperatura at kahalumigmigan ay nagdudulot ng pagpapalawak ng cyclic at pag -urong ng lamad, na nagiging sanhi ng kilabot at pagkapagod ng proton exchange membrane at bumubuo ng mga bitak, luha at pinholes sa ibabaw ng lamad.

Ang Kagawaran ng Enerhiya ng Estados Unidos (DOE) ay nakabuo ng isang pamantayang Accelerated Stress Test (AST) para saProton Exchange Membranepagkasira upang mapabilis ang pagkasira ng kemikal at mekanikal na pagkasira ng lamad. Bagaman ang scheme ng pagsubok na ito ay kapaki -pakinabang para sa screening at pag -optimize ng mga PEM, hindi nila masuri ang pinagsamang epekto ng mga kundisyon na nakatagpo ng PEM sa panahon ng operasyon ng cell ng gasolina. Dahil ang pagkasira ng kemikal at mekanikal na pagkasira ay umiiral nang sabay -sabay, ang pagkabit ng kemikal at mekanikal na stress ay magpapalubha ng pagkasira ng lamad. Upang masuri ang paglaban ng PEM sa ilalim ng pagkabit ng stress ng kemikal at mekanikal na stress, ang papel na ito ay nagmumungkahi ng isang cyclic open circuit boltahe (COCV) AST na kondisyon. Ang tibay ng proton exchange membrane ay nasubok sa ilalim ng kondisyong ito at inihambing sa mga resulta ng pagsubok ng proton exchange membrane pagkatapos ng OCV at kamag -anak na halumigmig na pagbibisikleta (RHC) na pinabilis na mga pagsubok. Ang pagpapalambing ng proton exchange membrane sa ilalim ng tatlong mga kondisyon ng AST ay sinisiyasat ng hydrogen permeation kasalukuyang density at bukas na mga pagsubok sa boltahe ng circuit, pati na rin ang pagsukat ng temperatura ng infrared, pag -scan ng mikroskopya ng elektron at iba pang mga pamamaraan ng pagkilala, at ang mga epekto ng kemikal, mekanikal na pagbagsak at ang kanilang pagkabit sa tibay ng proton exchange membrane ay pinag -aralan.

1. Eksperimento

1.1 Single Cell Assembly

Ang nag -iisang cell ay binubuo ng isang membrane electrode, isang sealing wire, isang grapayt plate, isang kasalukuyang kolektor at isang end plate. Ang elektrod ng lamad ay binubuo ng isang catalyst-coated PEM at carbon paper. Ang katalista ay isang katalista ng PT/C na may isang epektibong aktibong lugar na 44 cm2. Ang patlang ng daloy ng grapayt plate ay isang kahanay na patlang ng daloy. Tatlong solong mga cell ang natipon gamit ang parehong proseso at mga materyales para sa kahanay na pagsubok.

1.2ast mga kondisyon sa pagtatrabaho

Ang mga kondisyon ng pagtatrabaho ng mga pagsubok sa OCV at RHC sa eksperimento na ito ay tumutukoy sa plano ng pagsubok ng DOE, at ang mga tiyak na kondisyon ng pagsubok ay ipinapakita sa Talahanayan 1. Sa panahon ng pagsubok ng OCV, ang hydrogen permeation kasalukuyang density ay nasubok tuwing 48 oras hanggang sa ang bukas na circuit ay pinananatili sa loob ng 500 oras; Sa panahon ng pagsubok ng RHC, ang nag -iisang cell ay tumakbo ng 2 minuto ng dry gas at 2 minuto ng basa na gas para sa isang siklo, at ang hydrogen permeation kasalukuyang density at bukas na mga pagsubok sa boltahe ng circuit ay isinagawa pagkatapos ng bawat 2000 na siklo, para sa isang kabuuang 20,000 cycle.

Ang pagsubok ng COCV ay isang kombinasyon ng mga pagsubok sa OCV at RHC. Ayon sa mga kundisyon na ipinakita sa Talahanayan 1, ang pagsubok ng OCV ay unang ginanap sa loob ng 5 oras, at pagkatapos ay isinagawa ang RHC test sa loob ng 1 oras, kasama ang 40 minuto ng dry gas test at 20 minuto ng wet gas test. Ang pagkumpleto ng OCV at RHC ay 1 cycle ng COCV. Ang hydrogen permeation kasalukuyang density at bukas na circuit boltahe test ay isinagawa pagkatapos ng bawat 4 na mga siklo ng COCV. Ang pagsubok ay tumigil kapag ang bukas na boltahe ng circuit ng solong cell ay bumaba sa 20% ng paunang halaga o biglang bumaba nang bigla.

1.3 Katangian ng materyal

Matapos ang solong pagsubok ng durability ng cell, isang infrared thermometer ang ginamit upang suriin ang nabigo na elektrod ng lamad. Ang dalawang panig ng lamad ng elektrod ay hydrogen at hangin ayon sa pagkakabanggit. Kung ang proton exchange membrane ay nasira o may mga pinholes, ang temperatura sa lokasyon na iyon ay mas mataas kaysa sa iba pang mga lokasyon. Ang isang pag-scan ng mikroskopyo ng elektron ay ginamit upang obserbahan at pag-aralan ang cross-section ng nabigo na proton exchange membrane.

2. Mga Resulta at Talakayan

2.1 Pagtatanggal ng bukas na boltahe ng circuit

Ang Figure 1 ay isang graph na nagpapakita ng pagbabago ng bukas na boltahe ng circuit ng isang solong cell na may bilang ng mga siklo at oras pagkatapos ng pagsubok sa siklo ng COCV. Tulad ng ipinapakita sa Figure 1, bago ang unang 80 cycle ng CoCV test, ang bukas na boltahe ng circuit ng solong cell na nagbago sa pagitan ng 0.936V at 0.960V, na nagpapahiwatig na ang pagganap ng baterya ay karaniwang matatag; Matapos ang 80 cycle ng CoCV test, ang bukas na boltahe ng circuit ng solong cell ay biglang nabulok nang malubha, na nagpapahiwatig na ang proton exchange membrane ay nasira, na may mga luha o pinholes, na nagreresulta sa isang biglaang pagtaas ng dami ng hydrogen permeation. Upang maiwasan ang bukas na boltahe ng circuit na masyadong mababa at ang hydrogen permeation ay seryoso sa panahon ng kasunod na mga pagsubok, na hahantong sa direktang reaksyon sa pagitan ng hydrogen at oxygen, ang pagsubok ng COCV ay isinasagawa para sa isang kabuuang 88 na mga siklo, o 528 na oras.

Ipinapakita ng Figure 2 ang pagbabago sa bukas na boltahe ng circuit ng solong cell bago at pagkatapos ng mga pagsubok sa OCV, RHC at COCV. Tulad ng ipinapakita sa Figure 2, ang bukas na mga rate ng pagkabulok ng boltahe ng circuit ng solong cell pagkatapos ng kumpletong pagsubok sa OCV para sa 500 oras at ang pagsubok ng RHC para sa 1333 na oras ay 1.0% at 1.1%, ayon sa pagkakabanggit, at ang pagkabulok ng boltahe ay hindi halata; Habang ang bukas na rate ng pagkabulok ng boltahe ng circuit pagkatapos ng pagsubok ng COCV sa loob ng 504 na oras ay umabot sa 5.3%, na nagpapahiwatig na ang pamamaraan ay lalo pang pinabilis ang marawal na kalagayan ng lamad ng lamad pagkatapos ng pagsasama ng kemikal na pagkasira ng cycle ng kemikal na pag-ikot, at iyon ay may isang malinaw na pagkabit ng phenomenon sa pagitan ng kemikal na pagkabulok at mekanikal na pagkabulok. Matapos ang pagkasira ng kemikal ng PEM, ang mga molekular na kadena nito ay nagreresulta sa mga pagbabago sa pisikal na istraktura nito, na higit na nagpapabilis sa pagkabulok ng mga mekanikal na katangian; at ang pagtanggi sa mga mekanikal na katangian ay hahantong sa isang pagtaas sa paglala ng hydrogen, sa gayon ay bumubuo ng higit pang mga libreng radikal at higit na mapabilis ang pagkasira ng kemikal ng PEM. Makikita na kahit na ang PEM ay maaaring matugunan ang mga kinakailangan ng tibay ng kemikal at mekanikal na tibay ayon sa pagkakabanggit, ang tibay nito ay nananatiling mapatunayan sa mga praktikal na aplikasyon.

2.2 Pagsusuri ng hydrogen permeation flux

Ang hydrogen permeation kasalukuyang curve ng pagbabago ng density ng isang solong cell sa panahon ng operasyon sa ilalim ng iba't ibang mga kondisyon ng pagtatrabaho ay ipinapakita sa Larawan 3. Sa panahon ng mga pagsubok ng OCV at RHC ng PEM, ang hydrogen permeation kasalukuyang density ay hindi nagbago; Sa panahon ng pagsubok ng COCV, ang hydrogen permeation kasalukuyang density ay nadagdagan mula sa paunang halaga ng 5.4mA/cm hanggang 14.4mA/cm sa 504H. Ayon sa batas ni Faraday, ang hydrogen permeation flux ng membrane electrode ay maaaring kalkulahin ayon sa formula J ---. Kabilang sa mga ito, DJ. ay ang hydrogen permeation flux, 1. Ang hydrogen permeation kasalukuyang, A ay ang aktibong lugar ng membrane electrode, f ang faraday pare -pareho, at ang n ay ang bilang ng mga electron na nakuha o nawala sa reaksyon. Ang hydrogen permeation flux sa 504h ay 7.44x10-8mol/cm '· s. Ang makabuluhang pagtaas ng hydrogen permeation ay nagpapahiwatig na ang pagganap ng hadlang ng gas ng PEM ay nabawasan at ang mga maliliit na butas ay nabuo sa PEM.

2.3 Pagtatasa ng Katangian ng Materyales

Ang membrane electrode pagkatapos ng pagsubok ng COCV ay sumailalim sa pagsusuri ng pagsukat ng temperatura ng infrared, at ang mga resulta ay ipinapakita sa Figure 4. Tulad ng makikita mula sa Larawan 4, ang temperatura ng elektrod ng lamad na malapit sa gilid ng hydrogen inlet ay mas mataas kaysa sa iba pang mga lugar, na nagpapahiwatig na ang hydrogen permeation sa lugar na ito ay malaki, iyon ay, ang pagkasira ng PEM ay mas seryoso. Ang mga figure 5 (a) at (b) ay nagpapakita ng mga imahe ng cross-sectional SEM ng PEM bago at pagkatapos ng pagsubok sa kondisyon ng pagtatrabaho sa COCV. Tulad ng makikita mula sa figure, ang kapal ng PEM ay nabawasan mula sa 15μm hanggang 11μm pagkatapos ng operasyon ng kondisyon ng pagtatrabaho ng COCV, lalo na ang layer ng dagta ng lamad ng lamad ay mas payat, pagnipis ng halos 40%. Makikita na ang pangunahing dahilan para sa kabiguan ng elektrod ng lamad ay ang pagkasira ng kemikal sa panahon ng operasyon ng kondisyon ng pagtatrabaho, na humahantong sa pagnipis ng PEM, lalo na ang layer ng Resin ng Cathode. Ito ay dahil ang presyon sa hydrogen inlet ay mas mataas kaysa sa iba pang mga bahagi ng electrode ng lamad, at ang konsentrasyon ng hydrogen na sumisid mula sa anode hanggang sa katod ay mas mataas, na gumagawa ng mas maraming libreng radikal sa gilid ng cathode ng lamad na elektrod, sa gayon ay nagpapabilis ng kemikal na pagkabulok ng PEM cathode resin layer. Kasabay nito, sa panahon ng dry at wet gas cycle, ang dry at wet degree sa hydrogen inlet ay nag -iiba nang malaki, na nagreresulta sa maximum na mekanikal na stress sa pasilyo, na karagdagang nagpapalubha ng pagkabulok ng PEM. Sa ilalim ng pagkilos ng mga kadahilanan ng kemikal at mekanikal na pagkabit, ang PEM sa hydrogen inlet sa kalaunan ay nabigo.

3. Konklusyon

Ang papel na ito ay gumagamit ng mga kondisyon ng COCV upang masubukan ang tibay ng PEM, at inihahambing ang mga resulta ng pagsubok ng PEM pagkatapos ng mga pagsubok na pinabilis ng OCV at RHC. Matapos ang 504h ng operasyon sa ilalim ng mga kondisyon ng COCV, ang bukas na boltahe ng circuit ng solong cell ay nabawasan ng 5.3%, habang ang mga bukas na rate ng pagpapalambing ng boltahe ng solong cell pagkatapos ng kumpletong mga pagsubok sa OCV at RHC ay 1.0%at 1.1%, ayon sa pagkakabanggit, na nagpapahiwatig na ang mga kondisyon ng COCV ay pinabilis ang pagbagsak ng lamad na elektrod. Ang hydrogen permeation kasalukuyang density at pagsusuri ng SEM ay nagpapakita na ang hydrogen flux ng PEM ay nagdaragdag at bumababa ang kapal. Samakatuwid, ang kundisyong COCV na ito ay maaaring magamit bilang isang pandagdag na solusyon sa mga kondisyon ng OCV at RHC, at ang pagsasama ng kemikal at mekanikal na pagkasira ay isinama upang magsagawa ng pinabilis na pananaliksik sa pagsubok ng stress sa mga lamad ng proton exchange.