Holdbarhetstest og forskning av protonutvekslingsmembran for brenselceller

Abstrakt:Proton Exchange Membrane (PEM)er kjernekomponenten til brenselceller. For å studere effekten av kobling av kjemisk og mekanisk belastning på PEM, foreslås en syklisk åpen kretsspenning (COCV) akselerert stresstest (AST) i denne artikkelen. Holdbarheten til PEM ble testet med åpen kretsspenning (OCV), våt-tørr syklus (RHC) og COCV. Hydrogengjennomtrengningens strømtetthet og åpen kretsspenningsytelse av PEM ble analysert, og den mislykkede PEM ble preget av infrarød temperaturmåling og skanningselektronmikroskopi (SEM). Dempingen av PEM under tre arbeidsforhold ble undersøkt. Resultatene viser at den åpne kretsspenningen til enkeltcellen falt med 5,3% etter 504H av COCV -drift, mens åpen kretsspenningsdempingshastighet for enkeltcellen etter OCV- og RHC -forhold var henholdsvis 1,0% og 1,1%, noe som indikerer at COCV -forhold akselererte nedbrytningen av membranelektrode. Analysen viser at hydrogengjennomtrengningsfluksen av PEM økte og tykkelsen avtok. Derfor kan denne arbeidstilstanden brukes som en supplerende løsning for OCV og RHC, og koblingseffekten av kjemisk og mekanisk nedbrytning studeres omfattende for PEM.

0. INNLEDNING

For øyeblikket utvikler brenselceller seg raskt rundt i verden og har blitt brukt på mange felt som transport, fast strømforsyning og bærbare enheter. I bilfeltet,Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)har tiltrukket seg mer og mer oppmerksomhet på grunn av fordelene som nullutslipp, høy effektivitet og rask oppstart. Imidlertid er kostnadene og holdbarheten til PEMFC fortsatt de viktigste hindringene for dens store kommersialisering. Som kjernekomponenten i brenselceller,Protonutvekslingsmembran(PEM) spiller hovedsakelig rollen som å gjennomføre protoner og skille anode- og katodegasser. Holdbarheten påvirker direkte holdbarheten til brenselceller. Derfor er grundig forskning på holdbarheten til PEM av stor betydning for å forbedre ytelsen til brenselceller.

PEM er et tynt filmmateriale med ion selektiv permeabilitet. Dens holdbarhet er delt inn i to aspekter: kjemisk holdbarhet og mekanisk holdbarhet. Dens kjemiske holdbarhet refererer til PEM -evnen til å motstå kjemisk korrosjon, oksidasjon og reduksjonsreaksjoner under driften av brenselcellen; Mekanisk holdbarhet refererer til PEM -evnen til å opprettholde dens strukturelle integritet og ytelsesstabilitet når de blir utsatt for ytre krefter som trykk og spenning. Tilsvarende er nedbrytningsmekanismen til PEM under brenselcelleoperasjon også delt inn i kjemisk nedbrytning og mekanisk nedbrytning. Den kjemiske nedbrytningen av PEM er forårsaket av frie radikale angrep. Hydroksyl (HO ·), hydrogenperoksyd (HOO ·) og hydrogen (H ·) Frie radikaler har blitt ansett for å være potensielt skadelig for membranen. I skjæringspunktet mellom hydrogen og oksygen ved anoden eller katoden til brenselcellen, blir H2O2 lett reagert for å generere H2O2. Når H2O2 møter metallioner (㎡+) som Fe2+og Cu2+, dekomponerer det å generere frie radikaler. De frie radikaler angriper hovedkjeden og sidekjeden til protonutvekslingsmembranen, og forårsaker dermed nedbrytningen av membranen. Studier har vist at forhold med åpen kretsspenning (OCV) kan føre til en høy grad av kjemisk nedbrytning, som spesielt manifesteres som lokal tynning avProtonutvekslingsmembranog frigjøring av fluor i avløpsvannet. Mekanisk nedbrytning av PEM -er er forårsaket av endringer i vanninnholdet i membranen på grunn av endringer i temperatur og fuktighet i brenselcellen. Endringer i temperatur og fuktighet forårsaker syklisk ekspansjon og sammentrekning av membranen, noe som forårsaker kryp og utmattelse av protonutvekslingsmembranen og danner sprekker, tårer og pinholes på overflaten av membranen.

USAs energidepartement (DOE) har utviklet en standard akselerert stresstest (AST) forProtonutvekslingsmembranNedbrytning for å akselerere den kjemiske nedbrytningen og mekanisk nedbrytning av membranen. Selv om denne testskjemaet er nyttig for screening og optimalisering av PEM -er, kan de ikke evaluere de kombinerte effektene av forholdene som PEM har opplevd under drivstoffcelleoperasjonen. Fordi kjemisk nedbrytning og mekanisk nedbrytning eksisterer samtidig, vil koblingen av kjemiske og mekaniske spenninger forverre membran -nedbrytning. For å evaluere motstanden til PEM under kobling av kjemisk stress og mekanisk stress, foreslår dette papiret en syklisk åpen kretsspenning (COCV) AST -tilstand. Holdbarheten til protonutvekslingsmembranen ble testet under denne tilstanden og sammenlignet med testresultatene fra protonutvekslingsmembranen etter OCV og relativ fuktighetssykling (RHC) akselererte tester. Dempingen av protonutvekslingsmembranen under tre AST -betingelser ble undersøkt ved hydrogengjennomtrengningsstrømstetthet og åpne kretsspenningstester, så vel som infrarød temperaturmåling, skanning av elektronmikroskopi og andre karakteriseringsmetoder, og effekten av kjemisk, mekanisk nedbrytning og deres kobling på holdbarheten av proteonen børsen.

1. Eksperiment

1.1 Enkeltcellemontering

Enkeltcellen består av en membranelektrode, en tetningstråd, en grafittplate, en strøm samler og en endeplate. Membranelektroden består av et katalysatorbelagt PEM og karbonpapir. Katalysatoren er en PT/C -katalysator med et effektivt aktivt område på 44 cm2. Grafittplatens strømningsfelt er et parallelt strømningsfelt. Tre enkeltceller ble samlet ved bruk av samme prosess og materialer for parallell testing.

1.2AST arbeidsforhold

Arbeidsbetingelsene for OCV- og RHC -testene i dette eksperimentet refererer til DOE -testplanen, og de spesifikke testforholdene er vist i tabell 1. Under OCV -testen ble hydrogengjennomtrengningens strømtetthet testet hver 48. time til den åpne kretsen ble opprettholdt i 500 timer; Under RHC -testen kjørte enkeltcellen 2 minutter med tørr gass og 2 minutter med våt gass for en syklus, og hydrogengjennomtrengningens strømtetthet og åpne kretsspenningstester ble utført etter hver 2000 -syklus, for totalt 20 000 sykluser.

COCV -testen er en kombinasjon av OCV- og RHC -tester. I henhold til forholdene vist i tabell 1 ble OCV -testen først utført i 5 timer, og deretter ble RHC -testen utført i 1 time, inkludert 40 minutter med tørrgassprøve og 20 minutter med våtgasstest. Gjennomføringen av OCV og RHC er 1 COCV -syklus. Hydrogengjennomtrengningens strømtetthet og åpen kretsspenningstest ble utført etter hver 4 COCV -sykluser. Testen ble stoppet da den åpne kretsspenningen til enkeltcellen falt til 20% av startverdien eller falt skarpt plutselig.

1.3 Materiell karakterisering

Etter en celles holdbarhetstest ble et infrarødt termometer brukt til å inspisere den mislykkede membranelektroden. De to sidene av membranelektroden var henholdsvis hydrogen og luft. Hvis protonutvekslingsmembranen ble skadet eller hadde pinholes, ville temperaturen på det stedet være høyere enn andre steder. Et skanningselektronmikroskop ble brukt til å observere og analysere tverrsnittet av den mislykkede protonutvekslingsmembranen.

2. Resultater og diskusjon

2.1 Demping av åpen kretsspenning

Figur 1 er en graf som viser endringen av den åpne kretsspenningen til en enkelt celle med antall sykluser og tid etter COCV -syklus -testen. Som vist i figur 1, før de første 80 syklusene av COCV -testen, svingte den åpne kretsspenningen til enkeltcellen mellom 0,936V og 0,960V, noe som indikerer at batteriets ytelse i utgangspunktet var stabil; Etter 80 sykluser av COCV -testen, forfalt den åpne kretsspenningen til enkeltcellen plutselig alvorlig, noe som indikerte at protonutvekslingsmembranen ble skadet, med tårer eller pinholes, noe som resulterte i en plutselig økning i mengden hydrogengjennomtrengning. For å unngå at den åpne kretsspenningen er for lav og hydrogengjennomtrengningen var alvorlig under de påfølgende testene, noe som ville føre til den direkte reaksjonen mellom hydrogen og oksygen, ble COCV -testen utført i totalt 88 sykluser, eller 528 timer.

Figur 2 viser endringen i den åpne kretsspenningen til enkeltcellen før og etter OCV-, RHC- og COCV -testene. Som vist i figur 2, var den åpne kretsspenningsforfallshastigheten til enkeltcellen etter den komplette OCV -testen i 500 timer og RHC -testen i 1333 timer henholdsvis 1,0% og 1,1%, og spenningsforfallet var ikke åpenbar; Mens den åpne kretsspenningsforfallshastigheten etter COCV-testen i 504 timer nådde 5,3%, noe som indikerte at ordningen ytterligere akselererte nedbrytningen av membranelektroden etter å ha kombinert den kjemiske nedbrytningen av den stabil-tilstanden OCV og den mekaniske nedbrytningen av den periodiske tørrdyret, og at det var en åpenbar coupling-fenomenononononradering. Etter den kjemiske nedbrytningen av PEM, bryter molekylkjeden, noe som resulterer i endringer i dens fysiske struktur, som ytterligere akselererer forfallet av mekaniske egenskaper; Og nedgangen i mekaniske egenskaper vil føre til en økning i gjennomsyring av hydrogen, og dermed generere mer frie radikaler og ytterligere akselerere den kjemiske nedbrytningen av PEM. Det kan sees at selv om PEM kan oppfylle kravene til henholdsvis kjemisk holdbarhet og mekanisk holdbarhet, gjenstår holdbarheten å verifisere i praktiske anvendelser.

2.2 Analyse av hydrogengjennomtrengningsfluks

Hydrogengjennomtrengningens strømdensitetsendringskurve for en enkelt celle under drift under forskjellige arbeidsforhold er vist i figur 3. Under OCV- og RHC -testene av PEM endret ikke hydrogengjennomtrengningens strømtetthet mye; Under COCV -testen økte hydrogengjennomtrengningens tetthet fra startverdien på 5,4 mA/cm til 14,4 mA/cm ved 504H. I henhold til Faradays lov kan hydrogengjennomtrengningsfluksen av membranelektroden beregnes i henhold til formelen J ---. Blant dem, DJ. er hydrogengjennomtrengningsfluksen, 1. er hydrogengjennomtrengningsstrømmen, A er det aktive området til membranelektroden, f er faraday -konstanten, og N er antall elektroner oppnådd eller tapt i reaksjonen. Hydrogengjennomtrengningsfluksen ved 504H er 7.44x10-8mol/cm '· s. Den signifikante økningen i hydrogengjennomtrengning indikerer at gasbarriereytelsen til PEM har redusert og små hull har dannet seg i PEM.

2.3 Materialkarakteriseringsanalyse

Membranelektroden etter COCV -test ble utsatt for infrarød temperaturmåleanalyse, og resultatene er vist i figur 4. Som det fremgår av figur 4, er temperaturen på membranelektroden nær hydrogeninnløpssiden betydelig høyere enn andre områder, og indikerer at hydrogengjennomtrengningen i dette området er stor, er det, den nedbrytningen av PUR -IS -IS -IS -IS -IS -IS -ISME. Figur 5 (a) og (b) viser tverrsnitts-SEM-bilder av PEM før og etter COCV-arbeidstilstandstesten. Som det fremgår av figuren, har PEM -tykkelsen blitt redusert fra 15μm til 11μm etter COCV -arbeidsforholdsoperasjonen, spesielt katodeharpikslaget til membranen har blitt tynnet mer alvorlig, tynning med omtrent 40%. Det kan sees at hovedårsaken til svikt i membranelektroden er den kjemiske nedbrytningen under arbeidstilstandsoperasjonen, noe som fører til tynning av PEM, spesielt katodeharpikslaget. Dette er fordi trykket ved hydrogeninnløpet er høyere enn det ved andre deler av membranelektroden, og konsentrasjonen av hydrogen permeating fra anoden til katoden er høyere, noe som gir mer frie radikaler på katodesiden av membranelektroden, og dermed akselererer det kjemiske forfallet til PEM -katodeslaget. På samme tid, under den tørre og våte gasssyklusen, varierer den tørre og våte graden ved hydrogeninnløpet veldig, noe som resulterer i den maksimale mekaniske belastningen ved innløpet, noe som forverrer PEMs forfall ytterligere. Under virkningen av kjemiske og mekaniske koblingsfaktorer mislykkes PEM ved hydrogeninntaket til slutt.

3. Konklusjon

Denne artikkelen bruker COCV -forhold for å teste holdbarheten til PEM, og sammenligner testresultatene til PEM etter OCV og RHC akselererte tester. Etter 504 timer med drift under COCV -forhold, falt den åpne kretsspenningen til enkeltcellen med 5,3%, mens åpen kretsspenningsdempingshastighet for enkeltcellen etter komplette OCV- og RHC -tester var henholdsvis 1,0%og 1,1%, noe som indikerte at COCV -forhold akselererte nedbrytningen av membranelektroden. Hydrogengjennomtrengning Strømtetthet og SEM -analyse viser at hydrogenfluksen av PEM øker og tykkelsen avtar. Derfor kan denne COCV -tilstanden brukes som en supplerende løsning på OCV- og RHC -forhold, og koblingen av kjemisk og mekanisk nedbrytning er integrert for å utføre akselerert stresstestforskning på protonutvekslingsmembraner.