Dve glavni manifestaciji odpovedi protonske membrane

Elektrolit PEMFC je perfluorosulfonska kislinaProton Exchange Membrana(Membrana PFSA), ki v glavnem igra vlogo blokiranja vodika in zraka, blokira elektrone in prenaša protone vgorivna celicacelice/elektrolizatorji. Ko se čas delovanja povečuje, strukturaPFSA membranese bo spremenila in različne funkcije bodo neizogibno vplivale, predvsem v naslednjih dveh vidikih.

1. Plinsko navzkrižno penetracijo

Po dolgoletnem delu se bo zmanjšala debelina membrane PFSA in pojavile se bodo napake, kot so razpoke in perforacije. Sposobnost blokiranja plina bo močno oslabljena, vodik in zrak pa bosta navzkrižno prodirala skozi membrano PFSA, napetost odprtega vezja (OCV) baterije pa se bo zmanjšala.

Mehanizem napak membrane PFSA lahko razdelimo predvsem na dva vidika: slabljenje, ki ga povzročajo mehanske poškodbe in degradacija membrane, ki jo povzroča elektrokemija.

Membrana PFSA se bo večkrat razširila in skrčila pod mokrimi in vročimi cikli, kar bo povzročilo stresne cikle. Sčasoma se bodo pojavile razpoke;

Generacija razpok bo spodbudila uhajanje in navzkrižno penetracijo reakcijskih plinov, ki otežuje elektrokemično razgradnjo;

Napake, ki jih povzroča elektrokemična razgradnja, bodo postale območja koncentracije napetosti, kar posledično pospeši mehanske poškodbe.

Dve glavni manifestacijiproton membrananeuspeh

SEM slika poškodovane strukture membrane PFSA

Generacija mikropora ali mikrokratov ne povzroči takojšnje odpovedi membrane PFSA, ampak se razširi na določeno velikost pod delovanjem cikličnega mehanskega stresa. Ta postopek predstavlja 50% življenja membrane PFSA. Zato je odpornost proti utrujenosti membrane PFSA zelo pomembna.

OCV je pomemben kazalnik za merjenje življenjske dobe membrane PFSA

Resna navzkrižna penetracija plina znotraj membrane PFSA bo privedla do zmanjšanja OCV. O tem obstajata dve mnenji.

Eno stališče je, da v stanju odprtega vezja vodik prodre v katodo, pod elektrokatalitičnim delovanjem katode pa se ustvari mešani potencial, ki tvori lokalno polovico in s tem zniža OCV baterije;

Drugi pogled je, da ko vodik prodre v katodo, se adsorbira na površini PT katalizatorja, uniči vmesnik PT-O, zmanjša mešani potencial PT-O in tako zmanjša OCV.

Zmanjšanje OCV lahko povzroči tudi elektronski kratek stik.

S spreminjanjem delnega tlaka plina lahko ločimo med elektronskim kratkim vezjem in penetracijo plina.

Ko se delni tlak plina poveča, je tlak plina na obeh straneh membrane večji, prepustnost plinske transmembrane se bo okrepila in OCV se bo znatno zmanjšala; Enako je v obratni strani.

Če je zmanjšanje OCV povezano s pritiskom na plin, to pomeni, da je povezan s plinskim navzkrižnim prenašanjem, kar povzroča oslabitev zmogljivosti plinske pregrade; Če zmanjšanje OCV ni povezano s tlakom plina, to pomeni, da ga povzroča elektronski kratek stik.

2. zmanjšanje prevodnosti protona

Ko je membrana PFSA onesnažena, se protoni na skupini sulfonata nadomestijo z drugimi kovinskimi kationi, kar posledično vodi do povečanja materialne enakovredne vrednosti EW membrane, zmanjšanja števila protonov, ki jih je mogoče sprostiti, in zmanjšanja količine vode, ki jo je mogoče prilagoditi. Oba skupaj povzročita zmanjšanje protonske prevodnosti protonske membrane.

Vrednost EW predstavlja maso membrane, potrebne za 1 mol vodikovih ionov. Manjša kot je vrednost EW, večja je gostota protona v membrani in boljša je prevodnost membrane.

Poleg tega, ko protonsko membrano napadejo prosti radikali, se skupina sulfonata razgradi ali se v mokrem toplotnem ciklu pojavi reakcija s polikondenzacijo, da tvori anhidrid, povzroči, da protonska membrana izgubi protone, poveča vrednost EW in na koncu povzroči zmanjšanje prevodnosti.