Iraunkortasun proba eta protoi truke mintzaren ikerketa erregai-zeluletarako

Laburpena:Proton Exchange MiNlbrane (PEM)erregai-zelulen oinarrizko osagaia da. PEMen estres kimiko eta mekanikoen akoplamenduaren eragina aztertzeko, zirkuitu irekiko tentsio zikliko bat (COCV) estresa azeleratua (AST) proposatzen da paper honetan. PEMen iraunkortasuna zirkuitu irekiko tentsioak (OCV), ziklo hezea (RHC) eta COCV probatu zituen. Hidrogeno-haragia Egungo dentsitatea eta PEMen zirkuitu irekiko tentsioaren errendimendua aztertu ziren, eta pematutako pemak tenperatura infragorria neurtzeko eta mikroskopia elektroiaren (SEM) eskaneatu zuen. Hiru lan baldintza baino gutxiago dituzten PEMen arintzea ikertu zen. Emaitzek erakusten dute zelula bakarreko zirkuitu irekiko tentsioa% 5,3 jaitsi dela COCV funtzionamenduaren ondoren, eta Zirkuitu irekiko tentsioaren zelula bakarreko OCV eta RHC baldintzek% 1,0 eta% 1,1 izan ziren, hurrenez hurren, COCV baldintzak mintz-elektrodoaren degradazioa azkartu zela adierazten dute. Analisiak erakusten du hidrogeno-pemak pemaren fluxua handitzen dela eta lodiera murriztu zela. Hori dela eta, lan baldintza hau OCV eta RHCrako irtenbide osagarri gisa erabil daiteke, eta degradazio kimiko eta mekanikoaren akoplamenduaren efektua modu ulergarria da PEMentzat.

0 Sarrera

Gaur egun, erregai-zelulak mundu osoan zehar azkar garatzen ari dira eta arlo askotan aplikatu dira, hala nola garraioa, energia finkoa eta gailu eramangarriak. Automozioaren eremuan,Protoi truke mintz erregai pila (PEMFC)gero eta arreta gehiago erakarri dute zero isurketak, eraginkortasun handia eta abiapuntu azkarra. Hala ere, PEMFCren kostua eta iraunkortasuna oraindik ere eskala handiko merkaturatzearen oztopo nagusiak dira. Erregai-zelulen oinarrizko osagai gisa,Proton Exchange MiNlbrane(PEM) batez ere protoak eta anodoak eta gas katodoak bereizteko eginkizuna betetzen du. Bere iraunkortasunak erregai-zelulen iraunkortasunari eragiten dio zuzenean. Hori dela eta, PEMen iraunkortasunari buruzko ikerketa sakonak esanguratsua du erregai-zelulen errendimendua hobetzeko.

Pem zinema-material mehea da, ioi iragazkortasun selektiboa duena. Bere iraunkortasuna bi alderditan banatzen da: iraunkortasun kimikoa eta iraunkortasun mekanikoa. Iraunkortasun kimikoari erreferentzia egiten dio erregai-zelularen funtzionamenduan zehar korrosio kimikoa, oxidazioa eta murrizketa erreakzioei aurre egiteko. Iraunkortasun mekanikoa PEMek bere egiturazkoaren osotasuna eta errendimenduaren egonkortasuna mantentzeko gaitasunari egiten dio erreferentzia, presioa eta tentsioa bezalako kanpoko indarrei men egiten zaienean. Era berean, erregai zelulen funtzionamenduan Pemen degradazio mekanismoa degradazio kimikoan eta degradazio mekanikoan ere banatzen da. Pemaren degradazio kimikoa eraso erradikal askearen eraginez da. Hidroxilia (HO ·), hidrogeno peroxidoa (Hoo ·) eta hidrogenoa (H ·) aske erradikalek mintzarentzat kaltegarriak izan daitezkeela uste da. Erregai-zelularen hidrogeno eta oxigenoaren elkargunean, H2O2 erraz erreakzionatzen da H2O2 H2O2 sortzeko. H2O2-k metalezko ioiak (㎡ +) topatzen dituenean, hala nola FE2 + eta CU2 +, erradikal askeak sortzea deskonposatzen da. Erradikal askeek protoi-trukeko mintzaren kate eta alboko kate nagusia erasotzen dute, eta, horrela, mintzaren degradazioa eragiten du. Ikerketek frogatu dute zirkuitu irekiko tentsioak (OCV) baldintzek degradazio kimiko handia sor dezakeela, berariaz berariazko mehe gisa erakusten denaProton Exchange MiNlbraneeta fluoruroa kaleratzea hondakin-uretan. PEMen degradazio mekanikoa, mintzaren ur-edukiaren aldaketak dira, erregai-zelulen tenperatura eta hezetasun aldaketak direla eta. Tenperaturaren eta hezetasun aldaketek mintzaren hedapen eta uzkurdura ziklikoa eragiten dute, eta horrek protoi-trukeko mintzaren kroduz eta nekea eragiten du eta mintzaren gainazalean pitzadurak, malkoak eta zuloak eratzen ditu.

Estatu Batuetako Energia Sailak (Doe) estres estandar estandar bat (AST) garatu duProton Exchange MiNlbranedegradazioa mintzaren degradazio kimikoa eta degradazio mekanikoa azkartzeko. Proba-eskema hau pinak eman eta optimizatzeko lagungarria izan arren, ezin dute pemak erregai-zelulen operazioan topatutako baldintzen ondorio konbinatuak ebaluatu. Degradazio kimikoa eta degradazio mekanikoa aldi berean existitzen direlako, estres kimikoen eta mekanikoen akoplamenduak mintz degradazioa larriagotuko du. Pemaren erresistentzia estres kimikoaren eta estres mekanikoaren akoplamenduaren azpian ebaluatzeko, paper honek zirkuitu irekiko tentsio ziklikoa (COCV) AH egoera proposatzen du. Protoi-trukeko mintzaren iraunkortasuna egoera honen arabera probatu zen eta Protoi Trukearen Mintzaren proben emaitzarekin alderatuta, OCV eta hezetasun erlatiboaren zikloa (RHC) azeleratutako probak. HIRU HIRU HIRGAren arabera, Hidrogenoen Trukaketa Mintzaren arabera, Dentsitatearen eta Zirkuitu irekiko tentsioko probek ikertu zuten, baita infragorriko tenperatura neurtzeko, mikroskopia elektroi eta bestelako karakterizazio metodoak eta protoi truke-mintzaren iraunkortasunari buruzko akoplamenduak aztertu ziren.

1. Esperimentua

1.1 Zelula bakarreko muntaia

Zelula bakarra mintz-elektrodo batez osatuta dago, zigilatzeko alanbrea, grafito plaka, egungo bildumagilea eta amaierako plaka. Mintz-elektrodoa katalizatzaile estalitako pem eta karbono paper batez osatuta dago. Katalizatzailea PT / C katalizatzailea da, 44 cm2-ko eremu aktibo eraginkorra duena. Grafito plaka fluxuaren eremua fluxu paralelo bat da. Proba paraleloetarako prozesu eta material berak erabiliz hiru gelaxka bakarreko hiru gelaxka bildu ziren.

1.2ast lan baldintzak

Esperimentu honetako OCV eta RHC proben lan baldintzek Doe Test Plana aipatzen dute eta 1. taulan agertzen diren baldintza espezifikoak agertzen dira. OCV proban. Hidrogeno-haragiaren egungo dentsitatea 48 orduro probatu da zirkuitu irekia 500 orduz mantendu arte; RHC proban, zelula bakarretan gas lehorraren 2 minutu eta 2 minutuko gas bustia ziklo bakarrerako, eta hidrogeno-tentsioaren egungo dentsitatea eta zirkuitu irekiko tentsio probak egin ziren 2000 ziklo guztira, guztira 20.000 ziklo.

COCV proba OCV eta RHC proben konbinazioa da. 1. taulan agertzen diren baldintzen arabera, OCV proba 5 orduz egin zen lehenengo aldiz, eta orduan RHC proba ordubetez egin zen, 40 minutu gas lehorreko proba eta gas bustiaren 20 minutu barne. OCV eta RHC osatzea 1 cocv zikloa da. Hidrogeno-haragiaren egungo dentsitatea eta zirkuitu irekiko tentsioko proba egin ziren COCV 4 ziklo bakoitzaren ondoren. Proba gelaxka bakarreko zirkuitu irekiko tentsioa hasierako balioaren% 20 jaitsi zenean edo bat-batean jaitsi zenean.

1.3 Materialaren karakterizazioa

Zelula bakarreko iraunkortasun proba egin ondoren, termometro infragorria erabili zen mintz elektrodo hutsak ikuskatzeko. Mintz elektrodoaren bi aldeak hidrogenoak eta airea zeuden hurrenez hurren. Protoiaren truke mintza kaltetu edo zuloak izan bazen, kokapen horretako tenperatura beste kokapen batzuk baino handiagoa izango litzateke. Eskaneatze elektroi mikroskopio bat erabili zen protoi trukeen mintzaren zeharkako sekzioa behatzeko eta aztertzeko.

2. Emaitzak eta Eztabaida

2.1 Zirkuitu irekiko tentsioaren arintzea

1. irudia COCV zikloaren proba egin ondorengo ziklo eta denbora ziklo kopuruarekin zirkulazio irekiko tentsioaren aldaketa erakusten da. 1. irudian, COCV probaren lehen 80 zikloak baino lehen erakusten den moduan, zelula bakarreko zirkuitu irekiko tentsioak 0,936V eta 0,960V artean aldatu ziren, bateriaren errendimendua funtsean egonkorra izan dela adieraziz; COCV proba 80 ziklo ondoren, zelula bakarreko zirkuitu irekiko tentsioak larriki desintegratu zuen. Zirkuitu irekiko tentsioa baxua izan dadin eta hidrogeno-openik ekiditeko ondorengo probetan larria izan dadin, hidrogenoaren eta oxigenoaren arteko erreakzio zuzena ekarriko lukete, COCV proba 88 ziklo, edo 528 ordu izan da.

2. irudian Zelula bakarreko zirkuitu irekiko tentsioaren aldaketa erakusten da OCV, RHC, RHC eta COCV proben ondoren. 2. irudian erakusten den moduan, Zirkuitu irekiko tentsioaren gainbeheraren gainbehera 500 orduko OCV probaren ondoren eta RHC proba% 1,0 eta% 1,1 izan dira, hurrenez hurren, eta tentsioaren gainbehera ez zen agerikoa; Zirkuitu irekiko tentsioaren gainbeheraren tasa% 5,3ra iritsi zen bitartean, eskema% 5,3ra iritsi zenean, estatu-elektrodoaren degradazioa azkartu egin zela adierazten du egoera egonkorreko ocv eta aldizkako zikloaren degradazio mekanikoaren degradazio mekanikoan, degradazio kimikoaren eta degradazio kimikoen arteko lotura-fenomeno bat zegoela. PEMaren degradazio kimikoaren ondoren, bere kate molekularrak apurtzen ditu, bere egitura fisikoan izandako aldaketak sortuz, eta horrek propietate mekanikoen gainbehera areagotzen du; eta propietate mekanikoen gainbeherak hidrogenoen omenaldiaren hazkundea ekarriko du, eta, horrela, erradikal askeagoak sortuz eta PEMaren degradazio kimikoa azkartuz gero. Ikus daiteke, pemek iraunkortasun kimikoaren eta iraunkortasun mekanikoaren baldintzak bete ditzakeen arren, bere iraunkortasuna aplikazio praktikoetan egiaztatu behar da.

2.2 Hidrogeno-anaiaren fluxua aztertzea

Hidrogeno-haragiaren egungo dentsitatearen aldaketa zelula bakarreko kurba 3. irudian. OCV eta RHC probetan zehar, hidrogeno-haragia uneko dentsitatea ez zen asko aldatu; COCV proban zehar, hidrogeno-haragiaren egungo dentsitatea handitu da 5,4MA / cm-ko hasierako baliotik 14,4ma / cm 504h-ra. Faradayren legearen arabera, mintz-elektrodoaren hidrogeno-omenaren fluxua J --- formularen arabera kalkulatu daiteke. Horien artean, DJ. hidrogeno-omenaldi fluxua da. Hidrogeno-omenaldi korrontea da. Membrane elektrodoaren arlo aktiboa da, F Faraday konstantea da eta n erreakzioan lortutako edo galdutako elektroien kopurua da. 504h-ko hidrogeno-haragiaren fluxua 7,44x10-8mol / cm '· s da. Hidrogeno-omenaldiaren gehikuntza nabarmenak adierazten du PEMen gasaren hesiaren errendimenduak behera egin duela eta zulo txikiak eratu direla PEMen.

2.3 Materialen karakterizazioaren azterketa

Membrane elektrodoak COCV testaren ondoren, infragorriko tenperatura neurtzeko azterketa jasan zuen eta 4. irudian ikus daitekeenez, hidrogeno sarreraren ondoan dagoen mintz-elektrodoaren tenperatura nabarmen handiagoa da. 5. irudiak (a) eta (b) PEMen sezioko semeak erakusten dituzte PEMen aurretik eta ondoren Cocv lan baldintza proba egin aurretik. Irudian ikus daitekeenez, PEMaren lodiera 15 μm-tik 11μm murriztu da COCV lan baldintzaren funtzionamenduaren ondoren, batez ere mintzaren katediko geruza larriagoa izan da,% 40 inguru meheagoa izan da. Ikus daiteke mintz-elektrodoaren porrotaren arrazoi nagusia degradazio kimikoa dela lan baldintza eragitean, eta horrek pemaren argala da, batez ere erretxina katodiko geruza. Hau da hidrogeno sarrerako presioa mintz elektrodoaren beste ataletan baino handiagoa delako, eta anodotik katodotik hidrogeno-kontzentrazioa handiagoa da, eta horrek erradikal askeagoak sortzen ditu mintz-elektrodoaren katodikoan, eta, horrela, PEM katoduen erretxina geruzaren desintegrazio kimikoa azkartzen da. Aldi berean, gas ziklo lehorrean eta hezeetan, hidrogeno sarreran dagoen maila lehorra eta hezea asko aldatu egiten da, sarrerako gehienezko estres mekanikoaren ondorioz, pemaren gainbehera areagotuz. Akoplamendu kimiko kimikoen eta mekanikoen faktoreen arabera, hidrogeno sarreran dagoen pemak huts egiten du.

3. Ondorioa

Artikulu honek COCV baldintzak erabiltzen ditu PEMen iraunkortasuna probatzeko, eta PEMen emaitzak alderatzen ditu OCV eta RHC azeleratutako probak egin ondoren. Zelula bakarreko zirkuituaren% 5,3ko zirkuitu irekiko tentsioa% 5,3 murriztu da, eta zelula bakarreko zirkulazio-tentsioko tasa OCV eta RHC proben ondoren% 1,0 eta% 1,1 izan ziren, hurrenez hurren, COCV baldintzak mintz-elektrodoaren degradazioa azkartuz. Hidrogeno-haragia Oraingo dentsitatearen eta SEM azterketak erakusten du PEMen hidrogeno fluxua handitzen dela eta lodiera gutxitzen dela. Hori dela eta, COCV egoera hau OCV eta RHC baldintzetarako irtenbide osagarri gisa erabil daiteke eta degradazio kimiko eta mekanikoen akoplamendua integratzen da estresa probatzeko protesturako ikerketa protetuei buruzko ikerketa egiteko.