Comprehensive Evaluation of Polymer Electrolyte Membrane (PEM) Using Thermal Analysis

Význam tématu

Polymerová elektrolytová membrána (PEM) tvoří klíčovou komponentu palivových článků pro domácí, automobilové i přenosné aplikace. Díky nízké provozní teplotě a vysoké hustotě výkonu je nezbytné detailně porozumět jejím termálním a mechanickým vlastnostem pro optimalizaci spolehlivosti a životnosti celého systému.

Cíle a přehled studie

Cílem článku bylo komplexně zhodnotit termální chování a mechanické vlastnosti PEM při různých podmínkách zahřátí a zatížení. Analýza zahrnovala:

• Určení fází tání vody v membráně při různých obsahových procentech pomocí DSC.
• Stanovení tepelné stability a stupňů rozkladu na základě TGA/DTA.
• Posouzení tepelně mechanické roztažnosti a pevnostního chování při zvýšených teplotách pomocí TMA.

Použitá instrumentace

Pro měření byly využity tyto přístroje od Shimadzu:

• DSC-60 pro diferenciální kalorimetrickou analýzu tání vody.
• DTG-60 (kombinované TGA a DTA) pro sledování průběhu rozkladu až do 600 °C.
• TMA-60 pro stanovení tepelných expanzí a konstruování křivek napětí-deformace pod různými teplotami.

Hlavní výsledky a diskuse

1. Tání vody ve membráně (DSC):

• Při 6,7 % obsahu vody žádný tání nebylo detekováno.
• Při 8,5 % se objevil jeden endothermický pík (~–23,8 °C) odpovídající tání vodních klastrů.
• Od 12,6 % a výše byly patrné dva vrcholy – nejdříve vázaná voda a poté volná voda, přičemž intenzita vrcholu volné vody rostla s dalším zvýšením vlhkosti.

2. Tepelná stabilita a rozklad (TGA/DTA):

• První fáze (do 250 °C) odpovídá dehydrataci, ztráta hmoty cca 6 %.
• Druhá fáze (okolo 316 °C) souvisí s odštěpením sulfonových skupin.
• Třetí fáze (okolo 409–422 °C) indikuje rozklad hlavního polymerního řetězce s celkovou ztrátou až 93 %.

3. Tepelno-mechanické vlastnosti (TMA):

• Lineární dilatace se dramaticky zvyšuje nad 87 °C.
• Stres-deformační křivky při 60, 70 a 80 °C vykazují výrazný hysterezní efekt – při vyšší teplotě klesá napětí při stejné deformaci a zesiluje se netrvalé změny tvaru.

Přínosy a praktické využití metody

Detailní termální a mechanická charakterizace PEM umožňuje:

• Optimální návrh membrán s cílenou vlhkostní bilancí zajišťující účinné protonové přenosy.
• Stanovení provozních teplotních limitů a prevenci termální destrukce.
• Predikci životnosti a spolehlivosti palivového článku při reálných pracovních podmínkách.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace pokročilých nanočástic a kompozitních materiálů pro zvýšení termální odolnosti a mechanické stability.
• Vývoj in situ technik pro online monitorování změn vlhkosti a mechanického namáhání během provozu.
• Využití pokročilých modelů pro simulaci dlouhodobého chování PEM v palivových článcích různých designů.

Závěr

Komplexní termální analýza PEM pomocí DSC, TGA/DTA a TMA poskytla podklady pro lepší pochopení vodního chování, tepelné stability i mechanické odezvy materiálu. Tyto výsledky napomáhají optimalizovat konstrukci palivových článků s cílem maximalizovat výkon a životnost.

Reference

Studie vychází z interních Application News Shimadzu Corporation, Thermal Analysis No. T143 (202X).