Жанармай жасушаларына арналған Proton Exchange мембранасын сынау және зерттеу

Реферат:Протонмен алмасу мембранасы (PEM)отын жасушаларының негізгі компоненті болып табылады. Бұл жұмыста химиялық және механикалық күйзеліске арналған химиялық және механикалық кернеудің әсерін зерттеу мақсатында циклдік ашық тізбекті (Cocv) жеделдетілген кернеу (Cocv) Surry (AST) ұсынылады. PEM-дің беріктігі ашық тізбектегі кернеу (OCV), дымқыл құрғақ цикл (RHC) және Cocv арқылы сыналды. Сутегі қондырғысының тығыздығы және ашық тізбектегі кернеудің кернеуі талданды, ал сәтсіз пем инфрақызыл температураны өлшеу және электронды микроскопия (SEM) сканерлеу арқылы сипатталды. Үш еңбек жағдайында PEM-дің құлауы зерттелді. Нәтижелерде бір жасушаның кернеуі 504-ші ұяшықтың кернеуі 504 г-ға қарағанда 5,3% төмендеді, ал OCV және RRC шарттары бір яханның кернеуі, сәйкесінше, Cocv шарттары 1,0% және 1,1% құрады, бұл мембраналық электродтың деградациясын жеделдетеді. Талдау көрсеткендей, сутегі қондырғылары көбейіп, қалыңдығы төмендеді. Сондықтан, бұл жұмыс жағдайын OCV және RUC үшін қосымша шешім ретінде пайдалануға болады, және химиялық және механикалық деградацияның муфт әсері, өсімдіктер үшін жан-жақты зерттелуі мүмкін.

0. Кіріспе

Қазіргі уақытта жанармай жасушалары бүкіл әлемде қарқынды дамып келеді және көптеген салаларда, мысалы, тасымалдау, тұрақты электрмен жабдықтау және портативті құрылғылар. Автомобиль жолында,Протонмен алмасу мембраналық отын ұяшықтары (PEMFC)нөлдік шығарындылар, жоғары тиімділік және тез іске қосу сияқты артықшылықтарына қарағанда көбірек назар аударды. Алайда, PEMFC құны мен беріктігі оның ауқымды коммерциализациясының негізгі кедергілері болып табылады. Жанармай жасушаларының негізгі компоненті ретінде,Протонмен алмасу мембранасы(PEM) негізінен протондар мен анодты және катод газдарын бөліп алудың рөлін ойнатады. Оның беріктігі жанармай жасушаларының беріктігіне тікелей әсер етеді. Сондықтан, ПЭМ-нің ұзақ мерзімді зерттеуі жанармай жасушаларының жұмысын жақсарту үшін үлкен мәнге ие.

Пем - иондық селективті өткізгіштігі бар жұқа қабық материал. Оның беріктігі екі аспектпен бөлінеді: химиялық беріктік және механикалық беріктік. Оның химиялық беріктігі жанармай жасушасын пайдалану кезінде химиялық коррозияға, тотығуға және тотығу реакцияларына қарсы тұру қабілетіне жатады; Механикалық беріктік, бұл PEM-дің қысым мен кернеу сияқты сыртқы күштерге жатқызылған кезде оның құрылымдық тұтастығын және тұрақтылығын сақтау қабілетіне жатады. Сол сияқты, отынның жасушалық жұмыс істеп тұрған кезде деградация механизмі химиялық деградация және механикалық деградацияға бөлінеді. ПЭМ-нің химиялық деградациясы еркін радикалды шабуылдан туындаған. Гидроксил (Хо), сутегі асқын тотығы (хоу) және сутегі (H ·) мембранаға зиянды деп саналды. Сутегі мен оттегінің қиылысында отын ұяшығының анодында немесе катодында H2O2 H2O2 жасау үшін оңай реакцияланады. H2O2 Fe2 + және CU2 + сияқты металл иондармен (㎡ +) кездескен кезде, ол бос радикалдар жасау үшін ыдырайды. Еркін радикалдар протонмен алмасу мембранасының негізгі тізбекті және бүйір тізбегіне шабуыл жасайды, осылайша мембрананың деградациясын тудырады. Зерттеулер көрсеткендей, ашық тізбектегі кернеу (OCV) шарттары химиялық деградацияның жоғары деңгейіне әкелуі мүмкін, бұл жергілікті жергілікті жұқару ретінде көрсетіледіПротонмен алмасу мембранасыжәне ағынды сулардағы фторид шығару. Пемалардың механикалық деградациясы жанармай жасушасындағы температура мен ылғалдылыққа байланысты мембрананың суларының өзгеруіне байланысты болады. Температураның және ылғалдылықтың өзгеруі циклды кеңейту мен мембрананың жиырылуын тудырады, бұл Протонмен алмасу мембранасының шаршауы мен шаршауын тудырады және мембрананың жарықтары, көз жасы мен табандары пайда болады.

Америка Құрама Штаттарының Энергетика министрлігі (DOE) стандартты жеделдетілген стресс-тест (AST) жасадыПротонмен алмасу мембранасыМембрананың химиялық деградациясын және механикалық деградациясын тездету үшін деградация. Бұл сынақ схемасы пемаларды скринингке және оңтайландыруға пайдалы болғанымен, олар отын ұяшықтарының жұмысы кезінде PEM-ді кездестіре алмады. Химиялық деградация және механикалық деградация бір уақытта болғандықтан, химиялық және механикалық кернеулер муфтасы мембраналық деградацияны күшейтеді. Химиялық күйзеліс және механикалық кернеулермен бірге қопсытқышты бағалау үшін, бұл құжат Циклдік ашық тізбекті (Cocv) ASH жағдайын ұсынады. Протонмен алмасудың мембранасының беріктігі осы жағдайда сыналды және «Протонмен алмасу» мембранасының тест нәтижелерімен және салыстырмалы ылғалдылық велосипедімен (RHC) жеделдетілген сынақтармен салыстырғанда. «Протонмен алмасу» мембранасының сутегі ағымдық тығыздығы мен ашық тізбектегі кернеудің сынуы, инфрақызылдық температураны өлшеу, сонымен қатар инфрақызылдарды өлшеу, сканерлеудің басқа да әдістері және химиялық, механикалық деградацияның әсері және оларды протонмен алмасудың әсері зерттелді.

1. Тәжірибе

1.1 Бір ұяшықтың құрастыруы

Жалғыз ұяшық мембраналық электродтан, герметикалық сымнан, графит тақтадан, ағымдағы коллектордан және соңғы табаққа кіреді. Мембраналық электрод катализатормен қапталған қопсытқыштардан және көміртегі қағазынан тұрады. Катализатор - бұл 44 см2 тиімді белсенді ауданы бар PT / C катализаторы. Графит пластинаның ағынының өрісі - параллель ағын өрісі. Бір жалғыз жасуша бірдей процесті және параллель тестілеуге арналған материалдарды қолдана отырып жиналды.

1.2Сақыс жағдайлары

Осы эксперименттегі OCC және RUC сынақтарының жұмыс шарттары 1-кестеде көрсетілген. OCC-дің тестілеуі 1-кестеде көрсетілген. OCC-дің сынағы кезінде, сутегі қондырғысының тығыздығы 48 сағат сайын 48 сағат сайын сыналды; RHC тесті кезінде бір ұяшық 2 минут құрғақ газды және бір циклге 2 минуттық дымқыл газды және сутегі қондырғысының тығыздығы мен сутегі қондырғыларының тығыздығы мен ашық тізбектегі кернеу сынақтары, барлығы 20 000 цикл үшін жүргізілді.

Cocv тестісі - OCV және RHC тесттерінің тіркесімі. 1-кестеде көрсетілген жағдайларға сәйкес, OCC-тің сынағы алдымен 5 сағат бойы орындалды, содан кейін RHC тесті 1 сағат, оның ішінде 40 минут құрғақ газ сынағы және ылғал газ сынағы. OCV және RUC аяқталуы - 1 кокс циклі. Сутегі қондырғыларының тығыздығы және ашық тізбектегі кернеу сынағы әр 4 кокс циклынан кейін жүргізілді. Сынақ бір ұяшықтың кернеуі бастапқы мәннің 20% -на дейін төмендеген кезде тоқтатылды немесе кенеттен күрт төмендеді.

1.3 Материалдық сипаттама

Бір ұяшықтың тұрақты ұзақтығынан кейін сәтсіз мембраналық электродты тексеру үшін инфрақызыл термометр қолданылды. Мембраналық электродтың екі жағы сутегі мен ауаны тиісінше болды. Егер Протонмен алмасу мембранасы зақымдалған немесе табандар болса, сол жерде температура басқа жерлерден жоғары болады. Сканерлеуші ​​электронды микроскоп MicroScope сәтсіз болған PRETON биржасының мембранасының көлденең қимасын бақылау және талдау үшін пайдаланылды.

2. Нәтижелер мен талқылау

2.1 Ашық тізбектегі кернеуді тоқтату

1-сурет - кокв циклінің сынауынан кейінгі циклдер саны мен уақыттары бар бір ұяшықтың кернеуінің өзгеруін көрсететін график. 1-суретте көрсетілгендей, Cocv тестінің алғашқы 80 циклынан бұрын, бір ұяшықтың ашық тізбегі 0.936v және 0.960V аралығында, батареяның өнімділігі негізінен тұрақты болатындығын көрсетеді; Cocv сеансының 80 циклынан кейін, бір жасушаның ашық кернеуі кенеттен қатты ыдырайды, себебі протондық биржаның мембранасы зақымдалғанын, көзге жас немесе табандармен, нәтижесінде сутегі қондырғысының көбеюі әкеледі. Ашық тізбектегі кернеудің болмауы үшін, сутегі және сутегі қондырғылары келесі сынақтар кезінде байыпты болу үшін, олар сутегі мен оттегі арасындағы тікелей реакцияға әкелуі мүмкін, бұл жалпы 88 цикл үшін немесе 528 сағатқа созылды.

2-суретте OCV, RHC және Cocv тестілеріне дейін және одан кейінгі бір ұяшықтың кернеуінің өзгеруі көрсетілген. 2-суретте көрсетілгендей, OCC-дің 500 сағат ішінде бір ұяшықтың ыдырауы 500 сағаттан кейін бірыңғай ұяшықтың ыдырауы және 1333 сағатқа дейін RRC тесті 1,0% және 1,1%, ал кернеуді ыдырау анық болмады; Коксов тестілеуден кейін ашық тізбектегі кернеудің ыдырау мөлшерлемесі 5,3% -ға, ал схема тұрақты күйдің химиялық деградациясын біріктіргеннен кейін және мезгіл-мезгіл құрғақ дымқыл циклдің химиялық деградациясын біріктіргеннен кейін және химиялық деградация мен механикалық деградация арасындағы айқын муфт феномені болғанын көрсетеді. Пем химиялық деградациясынан кейін оның молекулалық тізбегі бұзылады, нәтижесінде оның физикалық құрылымына өзгерістер енгізіледі, ол одан әрі механикалық қасиеттерін жеңілдетеді; Механикалық қасиеттердің төмендеуі сутегі қондырғысының өсуіне әкеледі, осылайша бос радикалдар шығарады және одан да көп радикалдар шығарады және бұдан әрі ПЭМ-нің химиялық деградациясын жеделдетуге әкеледі. Пем химиялық беріктік пен механикалық тұрақтылық талаптарына сәйкес келуі мүмкін, бірақ оның беріктігі бойынша оның беріктігі практикалық қосымшаларда тексерілуі мүмкін екенін көруге болады.

2.2 Сутегіге арналған қондырғыларды талдау

Сутегі қондырғысының құрамдасу ағымының өзгеруі әр түрлі жұмыс жағдайында жұмыс істеп тұрған бір ұяшықтың қисық сызығы 3-суретте көрсетілген. OCV және RHC PEM-ді сынау кезінде сутегі қондырғысының тығыздығы көп өзгермеді; Cocvv тест кезінде сутегі қондырғысының токтың тығыздығы 5.4 ММ / см-дің бастапқы құнынан 14.4 ММ-ге дейін, 14.4 ММ-ге дейін, 504 сағатқа дейін өсті. Фарадай заңының хабарлауынша, мембраналық электродтың сутегі қондырғысының гидрогені j --- формуласына сәйкес есептеуге болады. Олардың ішінде, DJ. Сутегі қондырғы, 1. Сутегі қондырғы болып табылады, A мембраналық электродтың белсенді аймағы, F Faraday тұрақты, ал n реакцияда алынған немесе жоғалған электрондар саны. 504H-де сутегі қондырғы 744x10-8мол / см құрайды. Сутегі қондырғысының едәуір өсуі өсімдіктің газ кедергілерінің жұмысының төмендеуі төмендегенін және шұғыл саңылаулар PEM-те қалыптасқанын көрсетеді.

2.3 Материалдық сипаттаманы талдау

Коксв сынағынан кейінгі мембраналық электрод инфрақызылдық температураны өлшеуге талдау жасалды, ал нәтижелер 4-суреттегі мембраналық электродтың температурасы басқа аймақтарға қарағанда едәуір жоғары, бұл басқа аймақтарға қарағанда едәуір жоғары, бұл, яғни сутегіден өтуі, яғни, деградацияның нашарлауы байсалды. 5 (a) және (b) суреттер Cocv жұмыс жағдайын тексеруден бұрын және одан кейінгі топтың көлденең семальды кескіндерін көрсетеді. Суреттегідей, пеманың қалыңдығы 15 мкм-ден 11 мкм-ден 11 мкм-ден 11 мкм-ге дейін азайтылды, әсіресе, мембрананың катод-шайырлы қабаты шамамен 40% -ға жіңішкерілген. Мембраналық электродтың істен шығуының негізгі себебі жұмыс істеу жағдайында химиялық деградация болып табылады, бұл PEM-тің, әсіресе катодты шайырдың қабатының жұқаруына әкеледі. Себебі, сутегі кіретін қысым мембраналық электродтың басқа бөліктерінен жоғары болғандықтан және анодтың астындағы сутегіге қарағанда гидрогеннің катодына дейін концентрациясы жоғары, бұл мембрана электродтарының катодыс жағында көбірек радикалдар шығарады, осылайша Satel Catode Surin қабатының химиялық ыдырауын тездетеді. Сонымен бірге, құрғақ және дымқыл газ циклы кезінде, сутегіден құрғақ және ылғалды дәрежеде құрғақ және ылғалды дәреже айтарлықтай өзгереді, нәтижесінде қопсытқыштың максималды механикалық күйзелісіне әкеледі, сонымен қатар, қоқыс жәшігінің ыдырауын одан әрі ауырлатады. Химиялық және механикалық мультипликациялық факторлардың әсерінен, сутегі атына арналған қоқыс, ақырында, ақырында.

3. Қорытынды

Бұл қағаз Cocv-ді PEM-дің беріктігін тексеру үшін және OCV және RRC жеделдетілген сынақтардан кейін PEM тест нәтижелерін салыстырады. 504-ші жұмыс аяқталғаннан кейін, бірыңғай жасушаның ашық кернеуі 5,3% төмендеді, ал ашық тізбектегі кернеудің кернеуі OCV және RRC тесттерінен кейін бірыңғай ұяшықтың төмендеу деңгейі, тиісінше, коксв терминдері мембраналық электродтың деградациясын жеделдетеді. Сутегі қондырғысының ағымдық тығыздығы мен семендік талдауы, сутегі ағыны көбейіп, қалыңдығы төмендейді. Осылайша, бұл Cocv жағдайын OCV және RRC жағдайлары үшін қосымша шешім ретінде пайдалануға болады, және химиялық және механикалық деградацияның байланысы Протонмен алмасудың мембраналарында жеделдетілген стресс-тестілеуді жүргізуге интеграцияланған.