ایندھن کے خلیوں کے لئے پروٹون ایکسچینج جھلی کی استحکام ٹیسٹ اور تحقیق

خلاصہ:پروٹون ایکسچینج جھلی (PEM)ایندھن کے خلیوں کا بنیادی جزو ہے۔ PEM پر کیمیائی اور مکینیکل تناؤ کے جوڑے کے اثر کا مطالعہ کرنے کے ل this ، اس مقالے میں ایک چکولک اوپن سرکٹ وولٹیج (COCV) تیز تناؤ ٹیسٹ (AST) تجویز کیا گیا ہے۔ PEM کی استحکام کا تجربہ اوپن سرکٹ وولٹیج (OCV) ، گیلے خشک سائیکل (RHC) اور COCV کے ذریعہ کیا گیا تھا۔ ہائیڈروجن پرمیشن موجودہ کثافت اور PEM کی اوپن سرکٹ وولٹیج پرفارمنس کا تجزیہ کیا گیا ، اور ناکام PEM کو اورکت درجہ حرارت کی پیمائش اور اسکیننگ الیکٹران مائکروسکوپی (SEM) کی طرف سے نمایاں کیا گیا تھا۔ کام کے تین حالات کے تحت PEM کی توجہ کی تحقیقات کی گئیں۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ کوک وی آپریشن کے 504H کے بعد سنگل سیل کے اوپن سرکٹ وولٹیج میں 5.3 فیصد کمی واقع ہوئی ہے ، جبکہ او سی وی اور آر ایچ سی کے حالات کے بعد سنگل سیل کی اوپن سرکٹ وولٹیج کی توجہ کی شرحیں بالترتیب 1.0 ٪ اور 1.1 ٪ تھیں ، جس سے یہ ظاہر ہوتا ہے کہ کوک کے حالات نے جھلی الیکٹروڈ کے انحطاط کو تیز کیا۔ تجزیہ سے پتہ چلتا ہے کہ PEM کے ہائیڈروجن پرمیشن فلوکس میں اضافہ ہوا اور موٹائی میں کمی واقع ہوئی۔ لہذا ، اس کام کی حالت کو OCV اور RHC کے لئے ایک اضافی حل کے طور پر استعمال کیا جاسکتا ہے ، اور کیمیائی اور مکینیکل انحطاط کے جوڑے کے اثر کو PEM کے لئے جامع مطالعہ کیا جاتا ہے۔

0. تعارف

فی الحال ، ایندھن کے خلیات پوری دنیا میں تیزی سے ترقی کر رہے ہیں اور بہت سے شعبوں میں استعمال کیا گیا ہے جیسے نقل و حمل ، فکسڈ بجلی کی فراہمی اور پورٹیبل ڈیوائسز۔ آٹوموٹو فیلڈ میں ،پروٹون ایکسچینج جھلی ایندھن کے خلیات (PEMFC)صفر کے اخراج ، اعلی کارکردگی اور تیز رفتار اسٹارٹ اپ جیسے ان کے فوائد کی وجہ سے زیادہ سے زیادہ توجہ مبذول کروائی ہے۔ تاہم ، PEMFC کی لاگت اور استحکام اب بھی اس کے بڑے پیمانے پر تجارتی کاری میں بنیادی رکاوٹیں ہیں۔ ایندھن کے خلیوں کے بنیادی جزو کے طور پر ،پروٹون ایکسچینج جھلی(پی ای ایم) بنیادی طور پر پروٹونز کے انعقاد اور انوڈ اور کیتھوڈ گیسوں کو الگ کرنے کا کردار ادا کرتا ہے۔ اس کا استحکام براہ راست ایندھن کے خلیوں کی استحکام کو متاثر کرتا ہے۔ لہذا ، ایندھن کے خلیوں کی کارکردگی کو بہتر بنانے کے لئے PEM کی استحکام پر گہرائی سے تحقیق بہت اہمیت کا حامل ہے۔

پیم آئن سلیکٹو پارگمیتا کے ساتھ ایک پتلی فلمی مواد ہے۔ اس کی استحکام کو دو پہلوؤں میں تقسیم کیا گیا ہے: کیمیائی استحکام اور مکینیکل استحکام۔ اس کی کیمیائی استحکام سے مراد پی ای ایم کی کیمیائی سنکنرن ، آکسیکرن اور ایندھن کے سیل کے عمل کے دوران کمی کے رد عمل کی مزاحمت کرنے کی صلاحیت ہے۔ مکینیکل استحکام سے مراد PEM کی اس کی ساختی سالمیت اور کارکردگی کے استحکام کو برقرار رکھنے کی صلاحیت ہے جب دباؤ اور تناؤ جیسی بیرونی قوتوں کا نشانہ بنایا جاتا ہے۔ اسی طرح ، فیول سیل آپریشن کے دوران پی ای ایم کے انحطاط کا طریقہ کار بھی کیمیائی انحطاط اور مکینیکل انحطاط میں تقسیم ہوتا ہے۔ PEM کی کیمیائی انحطاط آزاد بنیاد پرست حملے کی وجہ سے ہوتی ہے۔ ہائیڈروکسائل (ہو ·) ، ہائیڈروجن پیرو آکسائیڈ (HOO ·) اور ہائیڈروجن (H ·) آزاد ریڈیکلز کو جھلی کے لئے ممکنہ طور پر نقصان دہ سمجھا جاتا ہے۔ ایندھن کے سیل کے انوڈ یا کیتھوڈ پر ہائیڈروجن اور آکسیجن کے چوراہے پر ، H2O2 کو H2O2 پیدا کرنے کے لئے آسانی سے رد عمل ظاہر کیا جاتا ہے۔ جب H2O2 دھات کے آئنوں (㎡+) جیسے Fe2+اور Cu2+کا سامنا کرتا ہے تو ، یہ آزاد ریڈیکلز پیدا کرنے کے لئے گل جاتا ہے۔ فری ریڈیکلز پروٹون ایکسچینج جھلی کی مرکزی زنجیر اور سائیڈ چین پر حملہ کرتے ہیں ، اس طرح جھلی کے انحطاط کا سبب بنتا ہے۔ مطالعات سے پتہ چلتا ہے کہ اوپن سرکٹ وولٹیج (او سی وی) کے حالات کیمیائی انحطاط کی اعلی ڈگری کا باعث بن سکتے ہیں ، جو خاص طور پر اس کے مقامی پتلا ہونے کے طور پر ظاہر ہوتا ہےپروٹون ایکسچینج جھلیاور گندے پانی میں فلورائڈ کی رہائی۔ ایندھن کے سیل میں درجہ حرارت اور نمی میں تبدیلیوں کی وجہ سے پی ای ایم ایس کی مکینیکل انحطاط جھلی کے پانی کے مواد میں تبدیلیوں کی وجہ سے ہے۔ درجہ حرارت اور نمی میں بدلاؤ چکرو کی توسیع اور جھلی کے سنکچن کا سبب بنتا ہے ، جو پروٹون ایکسچینج جھلی کی رینگنے اور تھکاوٹ کا سبب بنتا ہے اور جھلی کی سطح پر دراڑیں ، آنسو اور پن ہول تشکیل دیتا ہے۔

ریاستہائے متحدہ کے محکمہ توانائی (ڈی او ای) نے ایک معیاری تیز رفتار تناؤ ٹیسٹ (AST) تیار کیا ہےپروٹون ایکسچینج جھلیکیمیائی انحطاط اور جھلی کے مکینیکل انحطاط کو تیز کرنے کے لئے انحطاط۔ اگرچہ یہ ٹیسٹ اسکیم PEMs کی اسکریننگ اور اصلاح کے لئے مددگار ہے ، لیکن وہ ایندھن کے سیل آپریشن کے دوران PEM کے ذریعہ درپیش حالات کے مشترکہ اثرات کا اندازہ نہیں کرسکتے ہیں۔ چونکہ کیمیائی انحطاط اور مکینیکل انحطاط بیک وقت موجود ہے ، لہذا کیمیائی اور مکینیکل دباؤ کا جوڑا جھلیوں کی کمی کو بڑھا دے گا۔ کیمیائی تناؤ اور مکینیکل تناؤ کے جوڑے کے تحت پی ای ایم کی مزاحمت کا اندازہ کرنے کے ل this ، اس مقالے میں ایک چکولہ اوپن سرکٹ وولٹیج (COCV) AST حالت کی تجویز پیش کی گئی ہے۔ پروٹون ایکسچینج جھلی کی استحکام کا اس حالت کے تحت تجربہ کیا گیا تھا اور او سی وی اور رشتہ دار نمی سائیکلنگ (آر ایچ سی) کے تیز رفتار ٹیسٹوں کے بعد پروٹون ایکسچینج جھلی کے ٹیسٹ کے نتائج کے ساتھ موازنہ کیا گیا تھا۔ تین AST شرائط کے تحت پروٹون ایکسچینج جھلی کی توجہ کی تفتیش ہائیڈروجن پرمیشن موجودہ کثافت اور اوپن سرکٹ وولٹیج ٹیسٹوں کے ساتھ ساتھ انفراریڈ درجہ حرارت کی پیمائش ، اسکیننگ الیکٹران مائکروسکوپی اور دیگر خصوصیات کے طریقوں ، اور کیمیائی ، میکانکی انحطاط کے اثرات اور پروٹون ایکسچینج کی شمولیت کے اثرات کے ذریعہ تحقیق کی گئی۔

1. تجربہ

1.1 سنگل سیل اسمبلی

سنگل سیل میں ایک جھلی الیکٹروڈ ، سگ ماہی تار ، گریفائٹ پلیٹ ، ایک موجودہ کلکٹر اور اختتامی پلیٹ شامل ہے۔ جھلی الیکٹروڈ ایک کاتالک لیپت پیم اور کاربن پیپر پر مشتمل ہے۔ کاتلیسٹ ایک PT/C کیٹیلسٹ ہے جس کا موثر فعال علاقہ 44 سینٹی میٹر 2 ہے۔ گریفائٹ پلیٹ فلو فیلڈ ایک متوازی بہاؤ کا فیلڈ ہے۔ متوازی جانچ کے لئے ایک ہی عمل اور مواد کا استعمال کرتے ہوئے تین سنگل خلیوں کو جمع کیا گیا تھا۔

1.2 اے ایس ٹی کام کے حالات

اس تجربے میں او سی وی اور آر ایچ سی ٹیسٹ کے کام کے حالات ڈی او ای ٹیسٹ پلان کا حوالہ دیتے ہیں ، اور ٹیسٹ کے مخصوص حالات ٹیبل 1 میں دکھائے جاتے ہیں۔ او سی وی ٹیسٹ کے دوران ، ہائیڈروجن پرمیشن موجودہ کثافت کا تجربہ ہر 48 گھنٹوں تک کیا جاتا ہے جب تک کہ اوپن سرکٹ کو 500 گھنٹوں تک برقرار نہیں رکھا جاتا تھا۔ آر ایچ سی ٹیسٹ کے دوران ، سنگل سیل ایک چکر کے لئے 2 منٹ کی خشک گیس اور 2 منٹ کی گیلی گیس چلایا ، اور ہائیڈروجن پرمیشن موجودہ کثافت اور اوپن سرکٹ وولٹیج ٹیسٹ ہر 2000 چکروں کے بعد ، 20،000 چکروں کے لئے انجام دیئے گئے۔

COCV ٹیسٹ OCV اور RHC ٹیسٹوں کا ایک مجموعہ ہے۔ جدول 1 میں دکھائے گئے شرائط کے مطابق ، او سی وی ٹیسٹ پہلے 5 گھنٹوں کے لئے انجام دیا گیا ، اور پھر آر ایچ سی ٹیسٹ 1 گھنٹے کے لئے انجام دیا گیا ، جس میں 40 منٹ کی خشک گیس ٹیسٹ اور 20 منٹ تک گیلے گیس ٹیسٹ شامل تھے۔ او سی وی اور آر ایچ سی کی تکمیل 1 کوک سائیکل ہے۔ ہائیڈروجن پرمیشن موجودہ کثافت اور اوپن سرکٹ وولٹیج ٹیسٹ ہر 4 کوک سائیکل کے بعد انجام دیا گیا تھا۔ جب واحد سیل کا اوپن سرکٹ وولٹیج ابتدائی قیمت کے 20 ٪ پر گر گیا یا اچانک گر گیا تو اس ٹیسٹ کو روک دیا گیا یا اچانک گر گیا۔

1.3 مادی خصوصیات

واحد سیل استحکام ٹیسٹ کے بعد ، ناکام جھلی الیکٹروڈ کا معائنہ کرنے کے لئے ایک اورکت تھرمامیٹر استعمال کیا گیا تھا۔ جھلی الیکٹروڈ کے دونوں اطراف بالترتیب ہائیڈروجن اور ہوا تھے۔ اگر پروٹون ایکسچینج جھلی کو نقصان پہنچا تھا یا اس میں پن ہولز تھے تو ، اس جگہ پر درجہ حرارت دوسرے مقامات سے زیادہ ہوگا۔ ناکام پروٹون ایکسچینج جھلی کے کراس سیکشن کا مشاہدہ اور تجزیہ کرنے کے لئے اسکیننگ الیکٹران مائکروسکوپ کا استعمال کیا گیا تھا۔

2. نتائج اور بحث

2.1 اوپن سرکٹ وولٹیج کی توجہ

چترا 1 ایک گراف ہے جس میں ایک ہی سیل کے اوپن سرکٹ وولٹیج کی تبدیلی کو دکھایا گیا ہے جس میں COCV سائیکل ٹیسٹ کے بعد سائیکلوں کی تعداد اور وقت ہے۔ جیسا کہ شکل 1 میں دکھایا گیا ہے ، COCV ٹیسٹ کے پہلے 80 سائیکلوں سے پہلے ، سنگل سیل کا اوپن سرکٹ وولٹیج 0.936V اور 0.960V کے درمیان اتار چڑھاؤ کا شکار ہے ، جس سے یہ ظاہر ہوتا ہے کہ بیٹری کی کارکردگی بنیادی طور پر مستحکم تھی۔ کوک ٹیسٹ کے 80 چکروں کے بعد ، سنگل سیل کا اوپن سرکٹ وولٹیج اچانک شدید بوسیدہ ہوگیا ، جس سے یہ ظاہر ہوتا ہے کہ پروٹون ایکسچینج کی جھلی کو آنسو یا پن ہولز کے ساتھ نقصان پہنچا ہے ، جس کے نتیجے میں ہائیڈروجن پرمیشن کی مقدار میں اچانک اضافہ ہوا ہے۔ اوپن سرکٹ وولٹیج سے بہت کم ہونے سے بچنے کے ل and اور اس کے بعد کے ٹیسٹوں کے دوران ہائیڈروجن پرمیشن سنجیدہ ہونے کے ل that ، جو ہائیڈروجن اور آکسیجن کے مابین براہ راست رد عمل کا باعث بنے گا ، کوک ٹیسٹ کل 88 سائیکلوں یا 528 گھنٹے کے لئے کیا گیا تھا۔

چترا 2 OCV ، RHC اور COCV ٹیسٹ سے پہلے اور اس کے بعد سنگل سیل کے اوپن سرکٹ وولٹیج میں تبدیلی کو ظاہر کرتا ہے۔ جیسا کہ شکل 2 میں دکھایا گیا ہے ، 500 گھنٹوں کے لئے مکمل OCV ٹیسٹ اور 1333 گھنٹوں کے لئے RHC ٹیسٹ کے بعد واحد سیل کی اوپن سرکٹ وولٹیج کشی کی شرحیں بالترتیب 1.0 ٪ اور 1.1 ٪ تھیں ، اور وولٹیج کشی واضح نہیں تھی۔ جبکہ 504 گھنٹوں کے لئے کوک ٹیسٹ کے بعد اوپن سرکٹ وولٹیج کی خرابی کی شرح 5.3 فیصد تک پہنچ گئی ، اس بات کا اشارہ ہے کہ اس اسکیم نے مستحکم ریاست کے او سی وی کے کیمیائی انحطاط اور وقتا فوقتا خشک ویٹ چکر کے میکانکی انحطاط کو جوڑنے کے بعد جھلی کے الیکٹروڈ کے انحطاط کو مزید تیز کردیا ، اور یہ ایک واضح کوپلنگ فینومینون ہے۔ PEM کے کیمیائی انحطاط کے بعد ، اس کی سالماتی زنجیر ٹوٹ جاتی ہے ، جس کے نتیجے میں اس کی جسمانی ساخت میں تبدیلی آتی ہے ، جو مکینیکل خصوصیات کے خاتمے کو مزید تیز کرتا ہے۔ اور مکینیکل خصوصیات میں کمی سے ہائیڈروجن کے پھیلاؤ میں اضافہ ہوگا ، جس سے زیادہ آزاد ریڈیکلز پیدا ہوں گے اور PEM کے کیمیائی انحطاط کو مزید تیز کریں گے۔ یہ دیکھا جاسکتا ہے کہ اگرچہ PEM بالترتیب کیمیائی استحکام اور مکینیکل استحکام کی ضروریات کو پورا کرسکتا ہے ، لیکن عملی ایپلی کیشنز میں اس کی استحکام کی تصدیق باقی ہے۔

2.2 ہائیڈروجن پیرمیشن فلوکس کا تجزیہ

مختلف کام کے حالات کے تحت آپریشن کے دوران ایک ہی سیل کی ہائیڈروجن پرمیشن موجودہ کثافت کی تبدیلی کا وکر شکل 3 میں دکھایا گیا ہے۔ پی ای ایم کے او سی وی اور آر ایچ سی ٹیسٹ کے دوران ، ہائیڈروجن پرمیشن موجودہ کثافت زیادہ تبدیل نہیں ہوا۔ COCV ٹیسٹ کے دوران ، ہائیڈروجن پرمیشن موجودہ کثافت 5.4MA/سینٹی میٹر کی ابتدائی قیمت سے بڑھ کر 14.4ma/سینٹی میٹر 504H پر بڑھ گئی۔ فراڈے کے قانون کے مطابق ، جھلی الیکٹروڈ کے ہائیڈروجن پرمیشن فلوکس کا حساب فارمولا جے --- کے مطابق کیا جاسکتا ہے۔ ان میں ، ڈی جے۔ کیا ہائیڈروجن پرمیشن فلوکس ہے ، 1۔ ہائیڈروجن پرمیشن موجودہ ہے ، A جھلی الیکٹروڈ کا فعال علاقہ ہے ، F Faraday مستقل ہے ، اور N رد عمل میں حاصل کردہ یا کھوئے ہوئے الیکٹرانوں کی تعداد ہے۔ 504H پر ہائیڈروجن پرمیشن فلوکس 7.44x10-8mol/سینٹی میٹر '· s ہے۔ ہائیڈروجن پرمیشن میں نمایاں اضافہ اس بات کی نشاندہی کرتا ہے کہ PEM کی گیس کی رکاوٹ کی کارکردگی میں کمی واقع ہوئی ہے اور PEM میں چھوٹے سوراخ تشکیل پائے ہیں۔

2.3 مادی خصوصیات کا تجزیہ

کوک ٹیسٹ کے بعد جھلی کے الیکٹروڈ کو اورکت درجہ حرارت کی پیمائش کے تجزیے کا نشانہ بنایا گیا تھا ، اور نتائج کو شکل 4 میں دکھایا گیا ہے۔ جیسا کہ شکل 4 سے دیکھا جاسکتا ہے ، ہائیڈروجن انلیٹ سائیڈ کے قریب جھلی الیکٹروڈ کا درجہ حرارت دوسرے علاقوں سے نمایاں طور پر زیادہ ہے ، جس سے یہ ظاہر ہوتا ہے کہ اس علاقے میں ہائیڈروجن کی کمی ہے ، یہ ہے کہ ، اس کی کمی ، یعنی اس کی کمی ہے۔ اعداد و شمار 5 (a) اور (b) PEM کی کراس سیکشنل SEM تصاویر کو COCV ورکنگ کنڈیشن ٹیسٹ سے پہلے اور اس کے بعد دکھاتے ہیں۔ جیسا کہ اعداد و شمار سے دیکھا جاسکتا ہے ، کوک ورکنگ حالت کے آپریشن کے بعد پی ای ایم کی موٹائی کو 15μm سے کم کرکے 11μm کردیا گیا ہے ، خاص طور پر جھلی کی کیتھوڈ رال پرت کو زیادہ سنجیدگی سے پتلا کردیا گیا ہے ، جس میں تقریبا 40 40 ٪ کی کمی واقع ہوئی ہے۔ یہ دیکھا جاسکتا ہے کہ جھلی کے الیکٹروڈ کی ناکامی کی بنیادی وجہ ورکنگ کنڈیشن آپریشن کے دوران کیمیائی انحطاط ہے ، جس کی وجہ سے PEM کی پتلی ہوتی ہے ، خاص طور پر کیتھوڈ رال پرت۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ ہائڈروجن انلیٹ پر دباؤ جھلی الیکٹروڈ کے دوسرے حصوں میں اس سے زیادہ ہے ، اور انوڈ سے کیتھوڈ تک ہائیڈروجن کی حراستی زیادہ ہے ، جو جھلی الیکٹروڈ کے کیتھوڈ سائیڈ پر زیادہ آزاد ریڈیکلز تیار کرتی ہے ، اس طرح پی ای ایم کیتھڈ رال پرت کے کیمیائی کشی کو تیز کرتی ہے۔ ایک ہی وقت میں ، خشک اور گیلے گیس کے چکر کے دوران ، ہائیڈروجن inlet میں خشک اور گیلے ڈگری بہت مختلف ہوتی ہے ، جس کے نتیجے میں inlet پر زیادہ سے زیادہ مکینیکل تناؤ ہوتا ہے ، جس سے PEM کے خاتمے کو مزید بڑھ جاتا ہے۔ کیمیائی اور مکینیکل جوڑے کے عوامل کی کارروائی کے تحت ، ہائیڈروجن انلیٹ میں PEM بالآخر ناکام ہوجاتا ہے۔

3. نتیجہ

یہ مقالہ PEM کی استحکام کو جانچنے کے لئے COCV حالات کا استعمال کرتا ہے ، اور OCV اور RHC کے تیز رفتار ٹیسٹوں کے بعد PEM کے ٹیسٹ کے نتائج کا موازنہ کرتا ہے۔ COCV حالات کے تحت آپریشن کے 504h کے بعد ، واحد سیل کے اوپن سرکٹ وولٹیج میں 5.3 فیصد کمی واقع ہوئی ، جبکہ مکمل OCV اور RHC ٹیسٹ کے بعد سنگل سیل کی اوپن سرکٹ وولٹیج کی توجہ کی شرحیں بالترتیب 1.0 ٪ اور 1.1 ٪ تھیں ، جس سے یہ ظاہر ہوتا ہے کہ کوک کے حالات نے جھلی الیکٹروڈ کے انحطاط کو تیز کیا۔ ہائیڈروجن پرمیشن موجودہ کثافت اور SEM تجزیہ سے پتہ چلتا ہے کہ PEM کا ہائیڈروجن بہاؤ بڑھتا ہے اور موٹائی کم ہوتی ہے۔ لہذا ، اس COCV حالت کو OCV اور RHC کے حالات کے ضمنی حل کے طور پر استعمال کیا جاسکتا ہے ، اور کیمیائی اور مکینیکل انحطاط کا جوڑا پروٹون ایکسچینج جھلیوں پر تیز تناؤ کی جانچ کی تحقیق کو انجام دینے کے لئے مربوط ہے۔