Twee belangrijke manifestaties van falen van protonmembraan

De elektrolyt van PEMFC is perfluorosulfonzuurprotonuitwisselingsmembraan(PFSA -membraan), dat voornamelijk de rol speelt van het blokkeren van waterstof en lucht, het blokkeren van elektronen en het uitvoeren van protonen inbrandstofcelCellen/elektrolyzers. Naarmate de operatietijd toeneemt, is de structuur van dePFSA -membraanzullen veranderen en verschillende functies zullen onvermijdelijk worden beïnvloed, voornamelijk in de volgende twee aspecten.

1. Gaskruispenetratie

Na lange tijd te hebben gewerkt, zal de dikte van het PFSA -membraan worden verminderd en zullen defecten zoals scheuren en perforaties verschijnen. Het vermogen om gas te blokkeren zal sterk worden verzwakt, en waterstof en lucht zullen door het PFSA-membraan kruisen, en de open circuitspanning (OCV) van de batterij zal afnemen.

Het mechanisme van PFSA -membraandefecten kan voornamelijk worden onderverdeeld in twee aspecten: verzwakking veroorzaakt door mechanische schade en membraanafbraak veroorzaakt door elektrochemie.

Het PFSA -membraan zal herhaaldelijk uitbreiden en krimpen onder natte en hete cycli, wat resulteert in stresscycli. Na verloop van tijd zullen er scheuren optreden;

Het genereren van scheuren zal de lekkage en het kruisenetratie van reactiegassen bevorderen, verergerende elektrochemische afbraak;

De defecten veroorzaakt door elektrochemische afbraak zullen stressconcentratiegebieden worden, die op hun beurt mechanische schade versnellen.

Twee belangrijke manifestaties vanprotonmembraanmislukking

SEM -afbeelding van beschadigde PFSA -membraanstructuur

Het genereren van microporiën of microcracks veroorzaakt geen PFSA -membraanfalen onmiddellijk, maar breidt zich tot een bepaalde grootte uit onder de werking van cyclische mechanische stress. Dit proces is goed voor 50% van de levensduur van het PFSA -membraan. Daarom is de vermoeidheidsweerstand van PFSA -membraan erg belangrijk.

OCV is een belangrijke indicator om de levensduur van het PFSA -membraan te meten

Serieuze gaskruispenetratie binnen PFSA-membraan zal leiden tot een afname van OCV. Hier zijn twee meningen over.

Een weergave is dat in de open circuitstaat de waterstof in de kathode doordringt en onder de elektrokatalytische werking van de kathode wordt gegenereerd om een ​​lokale halve cel te vormen, waardoor de OCV van de batterij wordt verlaagd;

Een ander beeld is dat nadat waterstof in de kathode doordringt, deze wordt geadsorbeerd op het oppervlak van de PT-katalysator, waardoor het PT-O-interface wordt vernietigd, waardoor het PT-O gemengde potentieel wordt verminderd en de OCV wordt verminderd.

De vermindering van OCV kan ook worden veroorzaakt door elektronisch kortsluiting.

We kunnen onderscheid maken tussen elektronische kortsluiting en gaspenetratie door de partiële gasdruk te veranderen.

Wanneer de gedeeltelijke druk van de gas toeneemt, is de gasdruk aan beide zijden van het membraan groter, de gastransmembraanpermeatie zal intensiveren en zal de OCV aanzienlijk afnemen; Hetzelfde geldt omgekeerd.

Als de OCV-afname gerelateerd is aan de gasdruk, betekent dit dat deze gerelateerd is aan gaskruising, wat wordt veroorzaakt door de verzwakking van de gasbarrièreprestaties van het membraan; Als de OCV -afname niet gerelateerd is aan de gasdruk, betekent dit dat deze wordt veroorzaakt door elektronisch kortsluiting.

2. Afname van protonengeleidbaarheid

Wanneer het PFSA -membraan vervuild is, worden de protonen op de sulfonaatgroep vervangen door andere metalen kationen, wat op zijn beurt leidt tot een toename van de materiaalequivalent EW -waarde van het membraan, een afname van het aantal protonen dat kan worden vrijgegeven, en een afname van de hoeveelheid water die kan worden ondergebracht. De twee samen zorgen ervoor dat de protongeleidbaarheid van het protonmembraan afneemt.

De EW -waarde vertegenwoordigt de massa van het membraan dat vereist is voor 1 mol waterstofionen. Hoe kleiner de EW -waarde, hoe groter de protondichtheid in het membraan en hoe beter de geleidbaarheid van het membraan.

Wanneer het protonenmembraan wordt aangevallen door vrije radicalen, ontleedt de sulfonaatgroep of vindt er een polycondensatiereactie plaats onder een natte warmtecyclus om anhydride te vormen, deze zullen ertoe leiden dat het protonenmembraan protonen verliest, de EW -waarde verhoogt en uiteindelijk een afname van de geleidbaarheid veroorzaken.