Electrode degradation during a chemical/mechanical accelerated stress test of membranes in polymer electrolyte membrane fuel cells

फ्यूल सेल्स को अक्सर भविष्य के स्वच्छ इंजनों के रूप में वर्णित किया जाता है, जो बिना कुछ जलाए या धुआं छोड़े हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को बिजली में बदल देते हैं। इन मशीनों के भीतर, एक पतली, लचीली शीट जिसे मेम्ब्रेन (झिल्ली) कहा जाता है, ऑपरेशन के हृदय के रूप में कार्य करती है। यह मेम्ब्रेन सूक्ष्म आवेशित कणों को गुजरने की अनुमति देती है जबकि ईंधन गैसों को अलग रखती है, एक नाजुक संतुलन जिसे काम करने के लिए बनाए रखना आवश्यक है। हालांकि, किसी भी यांत्रिक भाग की तरह जो निरंतर तनाव के अधीन होता है, यह मेम्ब्रेन घिस सकती है। वास्तविक दुनिया में, फ्यूल सेल्स बदलते आर्द्रता और तापमान का सामना करते हैं, जिससे मेम्ब्रेन बार-बार फूलती और सिकुड़ती है। यह अनुमान लगाने के लिए कि ये उपकरण कितने समय तक चलेंगे, वैज्ञानिक त्वरित परीक्षणों (accelerated tests) का उपयोग करते हैं जो हफ्तों में वर्षों के घिसाव की नकल करते हैं, जिसमें मेम्ब्रेन को एक विशिष्ट वोल्टेज पर रखते हुए गीलेपन और सूखने के तीव्र चक्रों के अधीन किया जाता है।

वर्षों तक, शोधकर्ताओं का मानना था कि ये विशिष्ट परीक्षण केवल मेम्ब्रेन के स्थायित्व को मापने के लिए डिज़ाइन किए गए थे। धारणा यह थी कि यदि मेम्ब्रेन ने तनाव को झेल लिया, तो फ्यूल सेल का बाकी हिस्सा ठीक है। दक्षिण कोरिया के शोधकर्ताओं की एक टीम ने, जिसका नेतृत्व येजुन हान और क्वोनपिल पार्क ने किया, इस बात पर बारीकी से नज़र डालने का निर्णय लिया कि उन परीक्षणों के दौरान मेम्ब्रेन के दोनों ओर स्थित धातु उत्प्रेरकों (metal catalysts) के साथ क्या होता है। वे जानना चाहते थे कि क्या कठोर स्थितियाँ, जो मेम्ब्रेन का परीक्षण करने के लिए बनाई गई थीं, इलेक्ट्रोडों को भी चुपचाप नुकसान पहुँचा रही थीं, जो बिजली बनाने के लिए जिम्मेदार हिस्से हैं। उनकी जांच ने एक अधिक जटिल कहानी का खुलासा किया: यह परीक्षण केवल मेम्ब्रेन को तनाव नहीं देता है; यह एक ऐसी श्रृंखला अभिक्रिया (chain reaction) को सक्रिय करता है जहाँ इलेक्ट्रोड और मेम्ब्रेन दोनों एक साथ खराब होते हैं, जिससे पूरे सिस्टम की विफलता तेज हो जाती है।

शोधकर्ताओं ने एक पतली मेम्ब्रेन वाला एक मानक फ्यूल सेल बनाया और इलेक्ट्रोडों को प्लैटिनम से कोट किया, जो एक कीमती धातु है और रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज करने के लिए उत्प्रेरक के रूप में कार्य करती है। फिर उन्होंने इस सेल को गीलेपन और सूखने के छह हजार चक्रों के अधीन किया, जो अत्यधिक पर्यावरणीय तनाव का अनुकरण करने के लिए डिज़ाइन की गई एक प्रक्रिया है। पहले पांच हजार चक्रों के लिए, सेल ने एक अनुमानित तरीके से व्यवहार किया। मेम्ब्रेन द्वारा पानी सोखने और छोड़ने के कारण वोल्टेज में थोड़ा उतार-चढ़ाव हुआ, लेकिन ये परिवर्तन प्रतिवर्ती (reversible) थे, जिसका अर्थ है कि सेल हर बार वापस सामान्य स्थिति में आ जाता था। प्लैटिनम की मात्रा, जो अपना काम करने के लिए उपलब्ध थी, धीरे-धीरे कम हुई, और मेम्ब्रेन काफी हद तक बरकरार रही। इस स्तर पर ऐसा प्रतीत हुआ कि परीक्षण उम्मीद के मुताबिक आगे बढ़ रहा है, जिसमें मेम्ब्रेन यांत्रिक तनाव के तहत अच्छी तरह से टिकी हुई थी।

हालांकि, जैसे ही परीक्षण पांच हजार चक्रों के निशान को पार कर गया, फ्यूल सेल का व्यवहार नाटकीय रूप रूप से बदल गया। वोल्टेज का उतार-चढ़ाव स्थायी और गंभीर हो गया, जो संकेत दे रहा था कि कुछ अपरिवर्तनीय घटित हुआ है। शोधकर्ताओं ने पाया कि प्लैटिनम उत्प्रेरक, जो धीरे-धीरे खराब हो रहा था, अंततः अपने टूटने के बिंदु पर पहुँच गया था। धातु के कण, जो शुरुआत में छोटे धब्बों के रूप में होते हैं, आपस में जुड़ने लगे और बड़े होने लगे, जिससे कुशलतापूर्वक बिजली उत्पन्न करने की उनकी क्षमता प्रभावी रूप से कम हो गई। अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि इस प्लैटिनम का कुछ हिस्सा घुल गया और स्वयं मेम्ब्रेन के भीतर स्थानांतरित हो गया। जैसे ही ये धातु के कण मेम्ब्रेन के अंदर जम गए, उन्होंने छोटे, चालक पुल (conductive bridges) बना दिए जिससे इलेक्ट्रॉन उस अवरोध के पार लीक होने लगे जहाँ उन्हें नहीं जाना चाहिए। यह घटना, जिसे शॉर्टिंग (shorting) कहा जाता है, एक छोटे, आंतरिक विद्युत दोष की तरह है जो इंजन के इच्छित पथ को बायपास कर देता है।

इस आंतरिक शॉर्टिंग के प्रमाण चौंकाने वाले थे। शोधकर्ताओं ने खराब हुए फ्यूल सेल को देखने के लिए थर्मल इमेजिंग कैमरों का उपयोग किया और विशिष्ट हॉट स्पॉट्स पाए जहाँ तापमान तेजी से बढ़ गया था। ये हॉट स्पॉट्स ठीक उन्हीं क्षेत्रों के अनुरूप थे जहाँ लीक होते इलेक्ट्रॉनों द्वारा मेम्ब्रेन से समझौता किया गया था। इन चालक पथों की उपस्थिति का मतलब था कि मेम्ब्रेन अब केवल एक निष्क्रिय अवरोध नहीं थी; यह एक सक्रिय विद्युत विफलता का स्थल बन गई थी। हाइड्रोजन गैस, जिसे अलग रखा जाना चाहिए था, मेम्ब्रेन के पार बहुत बड़ी मात्रा में गुजरने लगी, जिससे रासायनिक गिरावट और तेज हो गई। वह परीक्षण, जो यह मापने के लिए बनाया गया था कि मेम्ब्रेन कितने समय तक चल सकती है, ने अनजाने में इलेक्ट्रोडों को मेम्ब्रेन के साथ खराब कर दिया, और उस संयुक्त गिरावट ने मेम्ब्रेन को अकेले की तुलना में बहुत तेजी से नष्ट कर दिया।

डेटा ने दिखाया कि छह हजार चक्रों के अंत तक, प्लैटिनम उत्प्रेरक का सक्रिय सतह क्षेत्र आधा रह गया था, और इलेक्ट्रिकल शॉर्टिंग के प्रति प्रतिरोध निम्नतम स्तर पर पहुँच गया था। शोधकर्ताओं ने देखा कि अंतिम एक हजार चक्रों में उत्प्रेरक के खराब होने की दर पांच गुना बढ़ गई, जो उसी शॉर्टिंग द्वारा संचालित एक तीव्र वृद्धि थी जिसने इसे पैदा करने में मदद की थी। यह निष्कर्ष पारंपरिक दृष्टिकोण को चुनौती देता है कि ये ड्यूरेबिलिटी टेस्ट कैसे काम करते हैं। यह सुझाव देता है कि OCV-Wet/Dry चक्र केवल मेम्ब्रेन का परीक्षण नहीं है, बल्कि पूरे असेंबली के एक साथ काम करने का परीक्षण है। धातु उत्प्रेरक का क्षरण और मेम्ब्रेन पर यांत्रिक तनाव एक ऐसे दुष्चक्र में जुड़े हुए हैं जहाँ एक विफलता दूसरी विफलता को तेज करती है।

यह अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि फ्यूल सेल ड्यूरेबिलिटी का मूल्यांकन करने के लिए उपयोग किया जाने वाला मानक प्रोटोकॉल वास्तव में एक 'कप्ल्ड टेस्ट' (coupled test) है जो इलेक्ट्रोड और मेम्ब्रेन दोनों को एक साथ तनाव देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि मेम्ब्रेन केवल यांत्रिक तनाव के कारण विफल नहीं हुई, बल्कि इसलिए विफल हुई क्योंकि इलेक्ट्रोडों ने भी साथ-साथ गिरावट दिखाई, जिससे चालक पथ बन गए जिन्होंने मेम्ब्रेन के विनाश को तेज कर दिया। प्लैटिनम के कण, जो एक बार मेम्ब्रेन के भीतर घुल गए और पुनः जमा हो गए, मेम्ब्रेन के अपने टूटने के लिए उत्प्रेरक के रूप में कार्य करते हैं। इसका अर्थ यह है कि जब इंजीनियर लंबे समय तक उपयोग के लिए फ्यूल सेल डिजाइन करते हैं, तो वे केवल मेम्ब्रेन को अधिक मजबूत बनाने पर ध्यान केंद्रित नहीं कर सकते। उन्हें यह भी सुनिश्चित करना होगा कि उत्प्रेरक इन विशिष्ट तनाव स्थितियों के तहत स्थिर रहें, क्योंकि यदि उत्प्रेरक विफल होता है, तो मेम्ब्रेन भी विफल हो जाएगी। अधिक टिकाऊ फ्यूल सेल का मार्ग धातु उत्प्रेरकों और पॉलीमर मेम्ब्रेन के बीच इस जटिल संबंध को समझने में निहित है, न कि उन्हें अलग-अलग घटकों के रूप में मानने में।