Accelerated life-time test of MEA durability under vehicle operating conditions in PEM fuel cell

Abstract

In this paper, a novel accelerated test method was proposed to analyze the durability of MEA, considering the actual operation of the fuel cell vehicle. The proposed method includes 7 working conditions: open circuit voltage (OCV), idling, rated output, overload, idling-rated cycle, idling-overload cycle, and OCV-idling cycle. The experimental results indicate that the proposed method can effectively destroy the MEA in a short time (165 h). Moreover, the degradation mechanism of MEA was analyzed by measuring the polarization curve, CV, SEM and TEM. This paper may provide a new research direction for improving the durability of fuel cell.

Key words： polymer electrolyte membrane fuel cell; accelerated life-time test; load cycling test; durability

Acknowledgements

This work is financially supported by the National Key Research and Development Program of China (Program No. 2016YFB0101205).

References

1 Steele B C, Heinzel  A. Materials for fuel-cell technologies. Nature, 2001, 414(6861): 345–352

2 Winter M, Brodd  R J. What are batteries, fuel cells, and supercapacitors? ChemInform, 2004, 104(10): 4245

3 Borup R, Meyers  J, Pivovar B ,  Kim Y S ,  Mukundan R ,  Garland N ,  Myers D ,  Wilson M ,  Garzon F ,  Wood D, Zelenay  P, More K ,  Stroh K ,  Zawodzinski T ,  Boncella J ,  McGrath J E ,  Inaba M ,  Miyatake K ,  Hori M, Ota  K, Ogumi Z ,  Miyata S ,  Nishikata A ,  Siroma Z ,  Uchimoto Y ,  Yasuda K ,  Kimijima K ,  Iwashita N . Scientific aspects of polymer electrolyte fuel cell durability and degradation. Chemical Reviews, 2007, 107(10): 3904–3951

4 Debe M K. Electrocatalyst approaches and challenges for automotive fuel cells. Nature, 2012, 486(7401): 43–51

5 Wu J, Yuan  X Z, Martin  J J, Wang  H, Zhang J ,  Shen J, Wu  S, Merida W . A review of PEM fuel cell durability: degradation mechanisms and mitigation strategies. Journal of Power Sources, 2008, 184(1): 104–119

6 Bar-On I, Kirchain  R, Roth R . Technical cost analysis for PEM fuel cells. Journal of Power Sources, 2002, 109(1): 71–75

7 Arlt T, Manke  I, Wippermann K ,  Riesemeier H ,  Mergel J ,  Banhart J . Investigation of the local catalyst distribution in an aged direct methanol fuel cell MEA by means of differential synchrotron X-ray absorption edge imaging with high energy resolution. Journal of Power Sources, 2013, 221(1): 210–216

8 Liu W, Ruth  K, Rusch G . Membrane durability in PEM fuel cells. Journal of New Materials for Electrochemical Systems, 2001, 4(4): 227–232

9 Galbiati S, Baricci  A, Casalegno A ,  Marchesi R . Degradation in phosphoric acid doped polymer fuel cells: a 6000 h parametric investigation. International Journal of Hydrogen Energy,  2013,  38(15): 6469–6480

10 Bao J, Krishnan  G N, Jayaweera  P, Perez-Mariano J ,  Sanjurjo A . Effect of various coal contaminants on the performance of solid oxide fuel cells: Part I. Accelerated testing. Journal of Power Sources, 2009, 193(2): 607–616

11 Zhang S, Yuan  X, Wang H ,  Merida W ,  Zhu H, Shen  J, Wu S ,  Zhang J . A review of accelerated stress tests of MEA durability in PEM fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy,  2009,  34(1): 388–404

12 Panha K, Fowler  M, Yuan X Z ,  Wang H. Accelerated durability testing via reactants relative humidity cycling on PEM fuel cells. Applied Energy,  2012,  93(5): 90–97

13 Aindow T T, O’Neill  J. Use of mechanical tests to predict durability of polymer fuel cell membranes under humidity cycling. Journal of Power Sources,   2011,  196(8): 3851–3854

14 Kundu S, Fowler  M, Simon L C ,  Abouatallah R . Reversible and irreversible degradation in fuel cells during open circuit voltage durability testing. Journal of Power Sources,  2008,  182(1): 254–258

15 Rong F, Huang  C, Liu Z S ,  Song D, Wang  Q. Microstructure changes in the catalyst layers of PEM fuel cells induced by load cycling: part II. simulation and understanding. Journal of Power Sources,  2008,  175(2): 712–723

16 Avakov V B, Aliev  A D, Beketaeva  L A, Bogdanovskaya  V A, Burkovskii  E V, Datskevich  A A, Ivanitskii  B A, Kazanskii  L P, Kapustin  A V, Korchagin  O V, Kuzov  A V, Landgraf  I K, Lozovaya  O V, Modestov  A D, Stankevich  M M, Tarasevich  M R, Chalykh  A E. Study of degradation of membrane-electrode assemblies of hydrogen-oxygen (air) fuel cell under the conditions of life tests and voltage cycling. Russian Journal of Electrochemistry, 2014,  50(8): 773–788

17 Solasi R, Zou  Y, Huang X ,  Reifsnider K ,  Condit D . On mechanical behavior and in-plane modeling of constrained PEM fuel cell membranes subjected to hydration and temperature cycles. Journal of Power Sources, 2007, 167(2): 366–377

18 Oszcipok M, Riemann  D, Kronenwett U ,  Kreideweis M ,  Zedda A . Statistic analysis of operational influences on the cold start behaviour of PEM fuel cells. Journal of Power Sources, 2005, 145(2): 407–415

19 Nishikawa H, Sasou  H, Kurihara R ,  Nakamura S ,  Kano A, Tanaka  K, Aoki T ,  Ogami Y . High fuel utilization operation of pure hydrogen fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 2008, 33(21): 6262–6269

20 Ettingshausen F, Kleemann  J, Marcu A ,  Toth G, Fuess  H, Roth C . Dissolution and migration of platinum in PEMFCs investigated for start/stop cycling and high potential degradation. Fuel Cells (Weinheim), 2011, 11(2): 238–245

21 Manasilp A, Gulari  E. Selective CO oxidation over Pt/alumina catalysts for fuel cell applications. Applied Catalysis B: Environmental, 2002, 37(1): 17–25