MEJORA DEL RENDIMIENTO DE DURABILIDAD DE LA PILA DE COMBUSTIBLE AL EVITAR EL ALTO VOLTAJE RESUMEN Para aumentar la durabilidad de la pila de celdas de combustible, varias tecnologías operativas como el corte de voltaje y se verificó la operación de aire pobre Con una aplicación de corte de voltaje superior, la pérdida de rendimiento de la celda se redujo efectivamente, lo que sugiere que se suprimió la formación de una capa de óxido superficial en Pt, lo que resultó en un deterioro del catalizador menos irreversible como la disolución de Pt. Además, se encontró que el barrido de voltaje para reducir el potencial reductor con un suministro de aire pobre era beneficioso para prevenir una pérdida de potencia. Con un modo de conducción de vehículo simulado, se confirmó que la durabilidad del rendimiento se mejoró 3 veces con una aplicación de corte de voltaje y suministro de aire pobre que podría atribuirse a mantenimiento del área activa electroquímica del catalizador de Pt. Las condiciones operativas sugeridas basadas en la degradación de Pt. El mecanismo contribuirá a mejorar la durabilidad de la pila de pilas de combustible para los FCEV. Las Pilas de Combustible Electrolítico de Polímero (PEFC) son una potencia dispositiva de generación que transforma la energía química de hidrógeno y oxígeno directamente en energía eléctrica. Tiene buena eficiencia de conversión de energía en comparación con la interna motores de combustión. En la conversión de energía eléctrica proceso, no hay emisión de contaminación ambiental como el CO 2. Debido a estas ventajas, se esperan PEFC ser la principal fuente de energía para los vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV), la próxima generación de vehículos ecológicos. Sin embargo, antes de la publicación de FCEV, La durabilidad es uno de los problemas más importantes para resolver. Varios fenómenos de degradación como la descomposición de la membrana electrolítica y el desplazamiento del electrodo. Las reacciones responsables de la degradación. Depende de las condiciones de operación y ocurre intrincadamente; por lo tanto, el mecanismo de desplazamiento de los materiales PEFC es muy complicado y no se ha aclarado hasta ahora. Entre Las razones de la degradación, la degradación del catalizador de Pt es una gran preocupación por el problema de la actividad catalítica de catalizador de carbono soportado con Pt (Pt / C), que podría susceptible de suceder bajo la atmósfera, como en aguas altas contenido, alta concentración de oxígeno y alto potencial en lado del cátodo en PEFCs. En particular, el área de superficie electroquímica (ECSA) de un catalizador de platino se reduce debido a la agregación y disolución de partículas de platino de tamaño nano o el desprendimiento de platino durante el funcionamiento de la celda de combustible y, por lo tanto, la velocidad de reacción de reducción de oxígeno (ORR) del cátodo se reduce, lo que provoca una reducción en el rendimiento. En el curso de la modificación de Pt, la superficie de Pt formada de forma intermedia la capa de óxido también dificulta que el oxígeno reaccione con protón y electrón en la superficie de platino, lo que lleva a cinética catódica lenta. Como este tipo de pérdida de rendimiento se ha irreversible degradación, no se ha llevado a cabo suficiente investigación centrándose en la reactivación del catalizador Pt / C degradado durante operación. La aplicación automotriz requiere un cambio rápido de operación condiciones de los PEFC; el cambio de carga debido a la aceleración y la desaceleración provoca una posible excursión de PEFC y el encendido /apagado frecuente causa un potencial drástico cambios Investigaciones recientes revelan que el catalizador Pt / C se deteriora severamente durante ciclos potenciales repetidos en lugar de mantener el potencial constante en el lado del cátodo. Especialmente, entre muchos factores de deterioro, el formación de capa de óxido de superficie La reacción de oxidación del platino puede ser representada por las siguientes ecuaciones. Pt + H 2 O → PtOH + H + + e (1) PtOH → PtO + H + + e (2) PtO + 2H + → Pt 2+ + H 2 O (3) Las reacciones químicas anteriores teóricamente comienzan a ocurrir por encima de 0.8 V bajo atmósfera de oxígeno. Posteriormente, si las partículas de platino se disuelven durante el potencial repetido ciclismo debido a un cambio de fase en el que el oxígeno y las moléculas de platino se invierten en posición (que es llamado como "intercambio de lugar"), causa irreversible deterioro del catalizador de Pt, lo que lleva a una pérdida de rendimiento en pila de combustible. La Prueba de modo de barrido de voltaje Para verificar la durabilidad y los efectos de rendimiento de la parte superior rango de voltaje, el modo de barrido de voltaje de forma rectangular fue seleccionado como se muestra en la Figura 2. Este modo fue diseñado desde el modo de ciclo de voltaje constante de la Departamento de Energía (DOE). El modo de durabilidad del DOE es de aproximadamente 30 k ciclos de barrido de voltaje de 0.6 V a 1.0 V (Ohm et al., 2011; Stariha et al., 2018). En este estudio, como como se muestra en la Figura 2, el voltaje límite inferior se fijó en 0.6 V como similar al modo DOE, pero el límite superior el voltaje se cambió a 0,95 V, 0,85 V y 0,8 V. Prueba de modo de conducción del vehículo Como se mencionó anteriormente, el desarrollo de la operación tecnologías para mejorar la durabilidad y el rendimiento de La pila de pilas de combustible es una tarea muy importante. En el anterior operación del vehículo con celda de combustible, solo se requiere la energía eléctrica para conducir el vehículo como el conductor quiere se generó a través de la reacción química. Por lo tanto, este tipo de El modo de operación permite que el voltaje de la pila de pilas de combustible estar cerca del voltaje de circuito abierto (OCV) cuando el vehículo está en estado de espera o requiere solo un muy pequeño cantidad de energía, simultáneamente, que resulta en exposición a alto potencial. Para resolver este problema, tenemos desarrolló y aplicó una técnica que mantiene el voltaje de la celda de combustible bajo un cierto valor de voltaje durante la operación, y confirmó cómo afecta la durabilidad de la pila de pila de combustible. La Prueba del modo de conducción del vehículo Para identificar el efecto de la condición de aire pobre, la tendencia de rendimiento se compara antes y después de aplicación de aire acondicionado magro. La evaluación de durabilidad. modo utilizado el modo de escape de la EPA que se muestra en la Figura 3 (arriba). Primero, la prueba de durabilidad progresa por debajo de lo normal condición, a partir de entonces la condición de aire pobre se aplica a la misma pila de pila de combustible. En este momento, el hidrógeno se recircula sistema e inyectado más grande que SR 1. El rango de salida a que se aplica la condición de aire pobre es la densidad de corriente de 0,037 A / cm 2 a 0,089 A / cm 2 . La razón por la cual el aire magro la condición se aplica solo al rango de salida bajo es que si la lógica se aplica en el rango de alto rendimiento, la celda de combustible puede dañarse debido a la rápida caída de voltaje e inversa voltaje. Dado que la formación de la tensión inversa puede causar daño permanente a la celda de combustible, la corriente la sección que aplica la condición de aire pobre se establece como se indica arriba. El límite inferior de la densidad de corriente se establece en 0.037 A / cm 2 , porque cuando la condición de aire pobre se aplica continuamente en la región del rango de corriente demasiado bajo, el oxígeno la distribución no se realiza de manera uniforme en la pila de celdas de combustible. En este caso, si aumenta la cantidad de energía requerida inmediatamente, se puede formar un voltaje inverso en la combustible celda. Por lo tanto, la condición de aire pobre se libera en una región inferior a 0,037 A / cm 2 para asegurar la pila de combustible robustez si el voltaje de celda mínimo se reduce a menos de 0.2 V durante la aplicación de la condición de aire pobre, La lógica se cancela. La razón es que, si la lógica es mantenida continuamente, aunque la celda mínima el voltaje cae menos de 0.2 V, puede estar formando el inverso voltaje para la celda mínima. En las condiciones anteriores, Se confirma la lógica de condición de aire pobre comprobando tendencia de rendimiento durante la prueba de resistencia. Los La comparación del rendimiento de durabilidad fue realizada por tomando el valor de voltaje correspondiente al mismo punto de cada ciclo Después de confirmar el efecto de la condición de aire pobre en durabilidad y rendimiento, confirmamos el efecto de aplicación de lógica de mejora en el rendimiento y Vida útil del vehículo con pila de combustible gracias a su durabilidad a largo plazo. Evaluación por 6,000 horas. La tendencia de rendimiento fue comprobada comparando el rendimiento variado cada 100 horas, Además, las pruebas IV se realizaron en cierto momento intervalos para comparar el alto rendimiento de salida de la pila de pila de combustible. En las pruebas IV, el estado de la pila de celdas de combustible se mantiene la misma condición durante el proceso de activación para minimizar la perturbación debido a la evaluación de durabilidad. Los resultados de las pruebas IV se verificaron comparando el valores de voltaje a alta densidad de corriente de cada prueba. Esto puede ser usado para inferir los efectos del corte de tensión y la inclinación condición del aire en el rendimiento de durabilidad de los FCEV RESULTADOS Se confirmó que la durabilidad del rendimiento variaba mucho después de la prueba de barrido de voltaje de 30 k según la parte superior rango de límite de voltaje. Los resultados de corriente-voltaje (IV) La medición durante una prueba de barrido. Cuando el límite superior de voltaje es 0.95 V, el voltaje disminución es grande en toda la región de densidad actual de El rendimiento inicial. La razón por la cual la durabilidad varía mucho según se supone que el límite superior de la tensión es diferente velocidad de formación y reacción redox reversible en la superficie de Pt. Como el tiempo de exposición al alto voltaje es más largo, el Se puede acumular una gran cantidad de capa de óxido superficial en Pt la superficie y el Pt se pueden disolver fácilmente como resultado de intercambio entre platino y oxígeno. sin embargo, la lógica de corte de voltaje puede suprimir la tasa de formación de óxido de superficie de acuerdo con el descenso de un voltaje limitar y, posteriormente, el deterioro irreversible, como La disolución de platino puede evitarse sustancialmente. El resultado que la pérdida de rendimiento debido a un alto la exposición al voltaje no es significativamente diferente hasta 5 k ciclos sugiere que la capa de óxido de superficie pasivante puede formarse principalmente en el período inicial del ciclo sin degradación irreversible adicional tal como disolución de Pt. Sin embargo, el deterioro del electrodo debido a la exposición a mayor voltaje se manifiesta claramente a partir de número de ciclo crítico de 5 k, por lo que parece haber derivado el por encima de la especulación. La tabla 1 resume el rendimiento y cambios de voltaje para cada una de las condiciones de prueba anteriores. La tabla muestra que la durabilidad se mejora hasta 7 veces limitando el límite superior de tensión a 0,8 V en comparación con 0,95 V. La aplicación de la lógica de corte de voltaje mejorará el rendimiento de resistencia de la pila de pilas de combustible según El valor límite superior. Los resultados de resistencia anteriores son similares a los del modo de barrido de voltaje de acuerdo con el voltaje superior. En el caso del modo de barrido, se confirmó que cuando se aplicó el límite superior de voltaje de 0,85 V o 0,8 V, la tasa de deterioro se desaceleró a aproximadamente 2.3 o 7 veces. En prueba de modo de conducción, la tasa de deterioro se redujo a aproximadamente 1.3 veces para el límite superior de voltaje de 0.85 V y aproximadamente 2.8 veces para el valor límite de 0.8 V. Hay una diferencia en el valor de la tasa de disminución, pero muestra tendencias de durabilidad similares según el voltaje superior rango límite. Se puede inferir que la velocidad de disolución es depende de la tensión superior durante la simulación del vehículo prueba. Aunque la prueba de durabilidad tasa de formación de superficie capa de óxido y posterior se llevó a cabo durante un relativamente corto período de tiempo, los efectos del límite superior de voltaje en El rendimiento de la pila se confirmaron claramente. Normalmente, casi no hay diferencia entre el voltaje de celda promedio y el voltaje de celda mínimo comportamiento en condiciones normales porque el suministro de combustible es suficiente para formar el voltaje estándar de la celda de combustible. Sin embargo, Los resultados de la condición de aire pobre muestran que la diferencia entre el voltaje promedio de la celda y la celda mínima el voltaje se incrementa claramente. Con un suministro de aire magro, el voltaje de celda mínimo repite la excursión de barrido que se reduce continuamente a 0 V del voltaje normal, a diferencia del voltaje promedio de la celda. Tal caída de voltaje entre acuerdo con el suministro de aire pobre puede recuperar el combustible rendimiento celular, que comúnmente se llama "diente de sierra"comportamiento (Qi et al., 2006; Zhang et al., 2015). Durabilidad a largo plazo Hemos identificado los efectos del corte de tensión y la inclinación. operación aérea con un modo de prueba separado. Finalmente llevamos una prueba de durabilidad a largo plazo en una placa de pan que simula una circunstancia del vehículo que incluye ambos tecnologías La Figura 8 muestra el promedio y el mínimo. Voltaje de celda de celda de combustible durante el modo de conducción del vehículo con Una aplicación de corte de voltaje y aire pobre. La media el voltaje de la celda no se eleva por encima |de la parte superior fija previamente voltaje en todas las regiones de densidad de corriente. Por otra parte, el voltaje mínimo de la celda cae continuamente a cerca de 0 V. El voltaje de celda mínimo se mantiene alrededor de 0 V en una región más ancha que la región donde el aire es pobre aplicado, porque se requiere un cierto tiempo hasta que la celda el voltaje se restablece después de que se libera la condición de aire pobre. En esta evaluación, la evaluación de durabilidad a largo plazo fue llevado a cabo durante 6,000 horas mientras se mantiene este voltaje comportamiento. La Figura 9 muestra el voltaje de la celda a una densidad de corriente media cambiar durante la prueba de durabilidad de acuerdo con cada 100 horas El gráfico muestra que la tasa de deterioro de la pila de pilas de combustible debido a la aplicación de corte de voltaje y la condición de aire pobre es significativamente diferente con los resultados en condiciones normales después de la evaluación es terminado por 6,000 horas. La tasa de degradación con un la condición normal es 14.0 ofV / hr, sin embargo, en el caso de condición de funcionamiento modificada, la tasa de deterioro es disminuyó a 4.7 V / h, que es aproximadamente 3 veces menor que la operación normal. Este resultado sugiere que el rendimiento de durabilidad se puede mejorar aproximadamente 3 veces cuando se aplica el corte de voltaje y la condición de aire pobre FCEVs. En este artículo, el efecto del corte de voltaje y el aire pobre se verificó la condición en la celda de combustible. De la evaluación sobre el rango del límite superior del voltaje de la pila de combustible, era confirmó que la disminución del límite superior de voltaje valor disminuyó la formación de capa de óxido de platino en electrodo por lo que el área de superficie electroquímicamente activada de Pt se incrementa. Además, bajo la condición de aire pobre el rendimiento de la pila de combustible se mejoró en gran medida debido a El barrido de voltaje. Como resultado de la durabilidad a largo plazo evaluación, se confirmó que el desempeño de la durabilidad se mejoró aproximadamente 3 veces con una aplicación de corte de voltaje y condición de aire pobre en comparación con la operación normal. Además, se confirmó que la caída temporal de voltaje causada por aire pobre no afecta La robustez de la pila de combustible. Referencias Arisetty, S., Liu, Y., Gu, W. y Mathias, M. (2015). Modelado del crecimiento de óxido de platino del cátodo PEMFC catalizadores ECS Trans. 69, 17, 273289. Borup, RL, Mukundan, R., Fairwether, JD, Spernjak, D., Langlois, DA, Davey, JR, Más, KL y Artyushkova, K. (2013). Estructura de capa de celda de combustible PEM degradación durante la corrosión por carbono. ECS Trans. 58, 1 945952. 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