Tástáil marthanachta agus taighde ar scannán malartaithe prótóin do chealla breosla

Achoimre:Membrane Malartaithe Proton (PEM)Is é an croí -chomhpháirt de chealla breosla. D'fhonn staidéar a dhéanamh ar éifeacht an chúplála ar strus ceimiceach agus meicniúil ar PEM, moltar voltas ciorcaid oscailte ciorcaid oscailte (COCV) (AST) sa pháipéar seo. Rinneadh marthanacht PEM a thástáil trí voltas ciorcaid oscailte (OCV), timthriall fliuch-tirim (RHC) agus COCV. Rinneadh anailís ar an dlús reatha agus ar fheidhmíocht voltais an chiorcaid oscailte PEM, agus ba é an tréith a bhí ag an PEM a theip ná tomhas teochta infridhearg agus micreascópacht leictreon (SEM). Rinneadh imscrúdú ar mhaolú PEM faoi thrí choinníoll oibre. Taispeánann na torthaí gur tháinig laghdú 5.3% ar voltas ciorcaid oscailte na cille aonair tar éis 504h d'oibríocht COCV, agus go raibh na rátaí tanúcháin voltais ciorcaid oscailte den chill aonair tar éis coinníollacha OCV agus RHC 1.0% agus 1.1%, faoi seach, ag léiriú go luafaí coinníollacha COCV an díghrádú ar leictreoid membrane. Taispeánann an anailís gur mhéadaigh an flosc tréscaoilte hidrigine de PEM agus gur tháinig laghdú ar an tiús. Dá bhrí sin, is féidir an coinníoll oibre seo a úsáid mar réiteach forlíontach do OCV agus RHC, agus déantar staidéar cuimsitheach ar éifeacht cúplála díghrádú ceimiceach agus meicniúil do PEM.

0. Réamhrá

Faoi láthair, tá cealla breosla ag forbairt go tapa ar fud an domhain agus tá siad curtha i bhfeidhm i go leor réimsí mar iompar, soláthar cumhachta seasta agus feistí iniompartha. I réimse na ngluaisteán,Cealla breosla membrane malartaithe prótóin (PEMFC)Tá níos mó airde tarraingthe agam mar gheall ar a gcuid buntáistí amhail astaíochtaí nialas, ardéifeachtúlacht agus gnólacht nuathionscanta. Mar sin féin, is iad costas agus marthanacht PEMFC na príomhchonstaicí fós ar a thráchtálú ar scála mór. Mar chroí -chomhpháirt na gceall breosla,scannán malartaithe prótóin(PEM) den chuid is mó imríonn sé an ról a bhaineann le prótóin a dhéanamh agus gáis anóid agus catóide a dheighilt. Bíonn tionchar díreach ag a marthanacht ar mharthanacht na gceall breosla. Dá bhrí sin, tá tábhacht mhór ag baint le taighde domhain ar mharthanacht PEM chun feidhmíocht na gceall breosla a fheabhsú.

Is ábhar scannán tanaí é PEM le tréscaoilteacht roghnach ian. Tá a mharthanacht roinnte ina dhá ghné: marthanacht cheimiceach agus marthanacht mheicniúil. Tagraíonn a marthanacht cheimiceach do chumas PEM frithghníomhartha ceimiceacha, ocsaídiúcháin agus laghdaithe a sheasamh le linn oibriú na cille breosla; Tagraíonn marthanacht mheicniúil do chumas PEM a sláine struchtúrach agus a chobhsaíocht feidhmíochta a choinneáil nuair a chuirtear faoi réir fórsaí seachtracha amhail brú agus teannas. Ar an gcaoi chéanna, tá an mheicníocht díghrádaithe de PEM le linn oibriú cille breosla roinnte freisin i ndíghrádú ceimiceach agus díghrádú meicniúil. Is é is cúis le díghrádú ceimiceach PEM ná ionsaí radacach saor in aisce. Measadh go bhféadfadh fréamhacha hiodrocsaile (HO ·), sárocsaíd hidrigine (HOO ·) agus hidrigine (H ·) saor in aisce a bheith díobhálach don scannán. Ag crosbhealach hidrigine agus ocsaigine ag anóid nó catóid na cille breosla, is furasta freagairt ar H2O2 chun H2O2 a ghiniúint. Nuair a thagann H2O2 le hiain mhiotail (㎡+) amhail Fe2+agus Cu2+, dianscaoileann sé chun fréamhacha saor in aisce a ghiniúint. Ionsaíonn na fréamhacha saor in aisce an príomhshlabhra agus an slabhra taobh den scannán malartaithe prótóin, rud a chruthaíonn díghrádú an scannáin. Léirigh staidéir gur féidir le coinníollacha voltais ciorcaid oscailte (OCV) a bheith mar thoradh ar dhíghrádú ceimiceach ard, a léirítear go sonrach mar tanú áitiúil ar anscannán malartaithe prótóinagus scaoileadh fluairíde sa fuíolluisce. Is é is cúis le díghrádú meicniúil PEManna ná athruithe ar ábhar uisce an scannáin mar gheall ar athruithe teochta agus taise sa chill bhreosla. Bíonn athruithe ar theocht agus ar thaise ina gcúis le leathnú timthriallach agus crapadh an scannáin, a chruthaíonn creep agus tuirse an scannáin mhalartaithe prótóin agus cruthaíonn sé scoilteanna, deora agus poill pinholes ar dhromchla an scannáin.

Tá tástáil struis luathaithe caighdeánach (AST) forbartha ag Roinn Fuinnimh na Stát Aontaithe (DOE)scannán malartaithe prótóinDíghrádú chun díghrádú ceimiceach agus díghrádú meicniúil an scannáin a luathú. Cé go bhfuil an scéim tástála seo cabhrach chun PEManna a scagadh agus a bharrfheabhsú, ní féidir leo meastóireacht a dhéanamh ar chomhéifeachtaí na gcoinníollacha a bhíonn ag an PEM le linn oibriú cille breosla. Toisc go bhfuil díghrádú ceimiceach agus díghrádú meicniúil ann ag an am céanna, méadóidh cúpláil strus ceimiceach agus meicniúil díghrádú membrane. D'fhonn frithsheasmhacht PEM a mheas faoi chúpláil strus ceimiceach agus strus meicniúil, molann an páipéar seo go bhfuil coinníoll AST ciorcaid oscailte ciorcaid (COCV) ann. Rinneadh tástáil ar mharthanacht an scannáin mhalartaithe prótóin faoin gcoinníoll seo agus i gcomparáid le torthaí tástála an scannáin mhalartaithe prótóin tar éis OCV agus tástálacha luathaithe rothaíochta taise (RHC). Rinneadh imscrúdú ar mhaolú an membrane malartaithe prótóin faoi thrí choinníoll AST trí thréithe tréscaoilte hidrigine agus tástálacha voltais ciorcaid oscailte, chomh maith le tomhas teochta infridhearg, micreascópacht leictreon a scanadh agus modhanna tréithrithe eile, agus rinneadh staidéar ar éifeachtaí díghrádaithe ceimiceacha, meicniúla agus a cúpláil ar mhaolú an mhalartaithe prótóin.

1. turgnamh

1.1 Tionól Cill Aonair

Is éard atá sa chillín aonair leictreoid membrane, sreang ina saothraítear ina shéalú, pláta graifít, bailitheoir reatha agus pláta deiridh. Is éard atá sa leictreoid membrane ná PEM agus páipéar carbóin atá brataithe le catalaíoch. Is catalaíoch PT/C é an catalaíoch le limistéar gníomhach éifeachtach de 44 cm2. Is réimse sreafa comhthreomhar é an réimse sreafa pláta graifíte. Cuireadh trí chealla aonair le chéile ag baint úsáide as an bpróiseas agus na hábhair chéanna le haghaidh tástála comhthreomhara.

1.2anna Dálaí Oibre

Tagraíonn coinníollacha oibre na dtrialacha OCV agus RHC sa turgnamh seo do phlean tástála an DOE, agus léirítear na coinníollacha tástála sonracha i dTábla. Le linn na tástála OCV, tástáladh an dlús reatha tréscaoilte hidrigine gach 48 uair go dtí gur coinníodh an ciorcad oscailte ar feadh 500 uair an chloig; Le linn na tástála RHC, rith an chillín aonair 2 nóiméad de ghás tirim agus 2 nóiméad de ghás fliuch do thimthriall amháin, agus rinneadh an dlús reatha agus na tástálacha voltais ciorcaid oscailte tar éis gach timthriall 2000, le haghaidh 20,000 timthriall san iomlán.

Is meascán de thástálacha OCV agus RHC an tástáil COCV. De réir na gcoinníollacha a thaispeántar i dTábla 1, rinneadh an tástáil OCV den chéad uair ar feadh 5 uair an chloig, agus ansin rinneadh an tástáil RHC ar feadh 1 uair an chloig, lena n -áirítear 40 nóiméad de thástáil gháis thirim agus 20 nóiméad de thástáil gháis fhliuch. Is é an timthriall 1 COCV ná Críochnú OCV agus RHC. Rinneadh an Dlús Reatha agus an Tástáil Voltais Ciorcaid Oscailte i ndiaidh gach 4 timthriall COCV. Cuireadh stop leis an tástáil nuair a thit voltas ciorcaid oscailte na cille aonair go 20% den luach tosaigh nó thit sé go géar go tobann.

1.3 Tréithriú Ábhar

Tar éis na tástála marthanachta cille aonair, baineadh úsáid as teirmiméadar infridhearg chun an leictreoid membrane a theip a iniúchadh. Ba iad an dá thaobh den leictreoid membrane ná hidrigin agus aer faoi seach. Dá ndéanfaí damáiste don scannán malartaithe prótóin nó dá mbeadh poill pinholes ann, bheadh ​​an teocht ag an suíomh sin níos airde ná suíomhanna eile. Baineadh úsáid as micreascóp leictreon scanadh chun trasghearradh an scannáin mhalartaithe prótóin a theip air agus anailís a dhéanamh air.

2. Torthaí agus plé

2.1 Tanú an Voltais Chuarda Oscailte

Is éard atá i bhFigiúr 1 ná graf a thaispeánann an t -athrú ar voltas ciorcaid oscailte cille aonair le líon na dtimthriallta agus an t -am tar éis na tástála timthrialla COCV. Mar a thaispeántar i bhFigiúr 1, roimh na chéad 80 timthriall den tástáil COCV, athraíodh an voltas ciorcaid oscailte den chillín aonair idir 0.936V agus 0.960V, ag léiriú go raibh feidhmíocht na ceallraí cobhsaí go bunúsach; Tar éis 80 timthriall den tástáil COCV, laghdaigh an voltas ciorcaid oscailte den chillín aonair go tobann go tobann, rud a léiríonn go ndearnadh damáiste don scannán malartaithe prótóin, le deora nó le poillíní, agus mar thoradh air sin tháinig méadú tobann ar mhéid an tréscaoilt hidrigine. D'fhonn an voltas ciorcaid oscailte a sheachaint go bhfuil sé ró -íseal agus an tréscaoilteacht hidrigine a bheith tromchúiseach le linn na dtrialacha ina dhiaidh sin, rud a chuirfeadh an t -imoibriú díreach idir hidrigin agus ocsaigin, rinneadh an tástáil COCV ar feadh 88 timthriall, nó 528 uair an chloig.

Taispeánann Figiúr 2 an t -athrú i voltas ciorcaid oscailte na cille aonair roimh agus tar éis na dtrialacha OCV, RHC agus COCV. Mar a thaispeántar i bhFigiúr 2, ba iad na rátaí lobhadh voltais ciorcaid oscailte den chill aonair tar éis na tástála OCV iomlán ar feadh 500 uair an chloig agus an tástáil RHC ar feadh 1333 uair an chloig 1.0% agus 1.1%, faoi seach, agus ní raibh an lobhadh voltais soiléir; Cé gur shroich an ráta lobhadh voltais ciorcaid oscailte tar éis na tástála COCV ar feadh 504 uair an chloig 5.3%, ag léiriú gur chuir an scéim dlús leis an díghrádú ar an leictreoid membrane tar éis díghrádú ceimiceach an OCV seasta a chur le chéile agus díghrádú meicniúil an timthrialla thirim thirim agus díghrádú meicniúil agus díghrádú meicniúil agus díghrádú meicniúil. Tar éis díghrádú ceimiceach PEM, a sosanna slabhra móilíneach, as a dtagann athruithe ar a struchtúr fisiciúil, a chuireann dlús le meath na n -airíonna meicniúla; Agus mar thoradh ar an laghdú ar airíonna meicniúla beidh méadú ar thréscaoilteacht hidrigine, rud a chruthóidh níos mó fréamhacha saor in aisce agus ag dlús a chur le díghrádú ceimiceach PEM. Is féidir a fheiceáil, cé gur féidir le PEM riachtanais marthanacht cheimiceach agus marthanacht mheicniúil a chomhlíonadh faoi seach, go bhfuil a mharthanacht fós le fíorú in iarratais phraiticiúla.

2.2 Anailís ar Flosc Tréscaoilte Hidrigin

Léirítear an cuar athraithe dlúis reatha de chillín aonair le linn na hoibríochta faoi choinníollacha oibre éagsúla i bhFíor. Le linn na dtrialacha OCV agus RHC de PEM, níor athraigh an dlús reatha tréscaoilte hidrigine i bhfad; Le linn na tástála COCV, mhéadaigh an dlús reatha tréscaoilte hidrigine ón luach tosaigh de 5.4mA/cm go 14.4mA/cm ag 504h. De réir dhlí Faraday, is féidir flosc tréscaoilte hidrigine an leictreoid membrane a ríomh de réir na foirmle j ---. Ina measc, DJ. Is é an flosc tréscaoilteachta hidrigine, 1. an sruth tréscaoilteachta hidrigine, is é A an limistéar gníomhach den leictreoid membrane, is é F an tairiseach faraday, agus is é n líon na leictreon a fhaightear nó a chailltear san imoibriú. Is é an flosc tréscaoilteachta hidrigine ag 504h 7.44x10-8mol/cm '· s. Léiríonn an méadú suntasach ar thréscaoilteacht hidrigine go bhfuil laghdú tagtha ar fheidhmíocht bhacainn gháis PEM agus go bhfuil poill bheaga déanta i PEM.

2.3 Anailís ar Thréithriú Ábhar

Rinneadh anailís ar thomhas teochta infridhearg ar an leictreoid membrane tar éis tástáil COCV, agus léirítear na torthaí i bhFigiúr. Taispeánann Figiúirí 5 (a) agus (b) na híomhánna SEM trasghearrtha den PEM roimh agus tar éis tástála riocht oibre COCV. Mar is féidir a fheiceáil ón bhfigiúr, laghdaíodh tiús an PEM ó 15μm go 11μm tar éis d'oibriú riocht oibre COCV, go háirithe tá an ciseal roisín catóide den scannán tanaithe níos dáiríre, ag tanú thart ar 40%. Is féidir a fheiceáil gurb é an chúis is mó le teip an leictreoid membrane ná an díghrádú ceimiceach le linn na hoibríochta maidir le riocht oibre, as a dtagann tanú an PEM, go háirithe an ciseal roisín catóide. Tá sé seo toisc go bhfuil an brú ag an ionraoin hidrigine níos airde ná an brú ag codanna eile den leictreoid membrane, agus go bhfuil an tiúchan hidrigine a théann tríd an anóid go dtí an catóid níos airde, a tháirgeann níos mó fréamhacha saor in aisce ar an taobh catóide den leictreoid membrane, rud a luasghéarú an lobhadh ceimiceach de chiseal ciseal catóide pem. Ag an am céanna, le linn an timthrialla gáis thirim agus fhliuch, athraíonn an chéim thirim agus fhliuch ag an ionraoin hidrigine go mór, rud a fhágann go bhfuil an strus meicniúil uasta ag an ionraoin, rud a chuireann isteach ar mheath an PEM. Faoi ghníomh na bhfachtóirí cúplála ceimiceacha agus meicniúla, teipeann ar an PEM ag an ionraoin hidrigine sa deireadh.

3. Conclúid

Baineann an páipéar seo úsáid as coinníollacha COCV chun marthanacht PEM a thástáil, agus déanann sé comparáid idir torthaí tástála PEM tar éis tástálacha luathaithe OCV agus RHC. Tar éis 504H d'oibríocht faoi choinníollacha COCV, tháinig laghdú 5.3%ar voltas ciorcaid oscailte na cille aonair, agus ba iad na rátaí tanúcháin voltais ciorcaid oscailte den chill aonair tar éis tástálacha iomlána OCV agus RHC ná 1.0%agus 1.1%, faoi seach, ag léiriú go luasaíodh coinníollacha COCV an díghrádú ar an leictreoid membrane. Tréscaoilteacht Hidrigin Taispeánann an dlús reatha agus an anailís SEM go méadaíonn flosc hidrigine PEM agus go laghdaíonn an tiús. Dá bhrí sin, is féidir an coinníoll COCV seo a úsáid mar réiteach forlíontach ar choinníollacha OCV agus RHC, agus déantar díghrádú ceimiceach agus meicniúil a chomhtháthú chun taighde tástála struis luathaithe a dhéanamh ar seicní malartaithe prótóin.