Caracterización mecánica bajo fatiga biaxial: tensión-torsión de la membrana de intercambio protónico utilizada en celdas de combustible

Abstract

In the present work, a device capable to carry out fatigue tests under biaxial modality: tension and torsion, was developed. The tests were performed in Nafion polymeric membranes, the device was called BTTM (Biaxial tension and torsion machine). The Nafion membrane has many industrial applications, one of the most prominent is that can be used as an electrolyte (used as a proton exchange membrane) in fuel cells for the production of clean energy (proton exchange membranes fuel cells). These membranes being in operation within a fuel cell and they are under different effects of tension and torsion, which can be generated by vibrations, or by swelling and shrinkage of the membrane itself when it absorbs water (water is generated as a result of the reduction process between the protons of hydrogen and oxygen). The tests performed for this material were important to establish useful lifetimes of the membrane when is subjected to testing of biaxial fatigue: tension and torsion, and thus the results can be used as an important factor in predicting the fatigue life of the membrane when used as an electrolyte in fuel cells. The BTTM has the capacity to induce tension and torsion in the membrane, as well as control different environmental parameters such as temperature and relative humidity (RH). Tests were performed with ambient temperature and relative humidity (22-25 ° C and 50-55% RH, respectively) on a Nafion 115 membrane (thickness of 127 μm) using different loading conditions from 30 MPa to 60 MPa and a constant torsion angle 50 ° (25 ° for each side from a central point of reference). The results obtained indicated that the membranes subjected to 60 MPa stress have a useful life of approximately 176000 cycles.

En el presente trabajo se desarrolló un dispositivo capaz de llevar a cabo pruebas de fatiga biaxial : tensión-torsión en membranas poliméricas Nafion, el cual se nombró como BTTM (Biaxial Tensión and Torsión Machine). Las membranas Nafion tienen múltiples aplicaciones, una de las más destacadas es que sirven como electrolito (se usan como membrana de intercambio protónico) en las celdas de combustible (Celdas de combustible de Membranas de intercambio protónico, PEMFC) para la generación de electricidad de forma limpia. Estas membranas al estar en funcionamiento dentro de una celda de combustible se encuentran bajo diferentes efectos de tensión y torsión, que pueden ser generados por las vibraciones o por el inflamiento y desinflamiento de la misma membrana al absorber agua (el agua se genera como resultado del proceso de reducción entre los protones del hidrogeno y el oxígeno). Someter a este tipo de ensayos este material, fue de suma importancia para establecer tiempos de vida útil de la membrana al someterla a pruebas de fatiga biaxial: tensión – torsión y utilizarlos como referencia para la predicción de la vida útil de la membrana al ser utilizada como electrolito en celdas de combustible. El BTTM cuenta con la capacidad de inducir tensión y torsión en las membranas, así como controlar diferentes parámetros ambiéntales tales como la temperatura y la humedad relativa (RH). Se realizaron pruebas con temperatura y humedad relativa ambiente (22-25 °C y 50-55% RH, respectivamente) a una membrana Nafion 115 (espesor de 127 μm) utilizando diferentes condiciones de carga de 30 MPa hasta 60 MPa y un ángulo de torsión constante de 50° (25° para cada lado desde un punto central de referencia); los resultados obtenidos indicaron que las membranas sometidas a tensiones de 60 MPa tienen una vida útil aproximada de 176000 ciclos.