Deux manifestations majeures de l'échec de la membrane de proton

L'électrolyte de PEMFC est de l'acide perfluorosulfoniquemembrane d'échange de protons(Membrane PFSA), qui joue principalement le rôle du blocage de l'hydrogène et de l'air, bloquant les électrons et conduisant des protons danspile à combustiblecellules / électrolyseurs. À mesure que le temps de fonctionnement augmente, la structure duMembrane PFSAchangera et diverses fonctions seront inévitablement affectées, principalement dans les deux aspects suivants.

1. La pénétration croisée au gaz

Après avoir travaillé longtemps, l'épaisseur de la membrane PFSA sera réduite et des défauts tels que des fissures et des perforations apparaîtront. La capacité de bloquer le gaz sera considérablement affaiblie, et l'hydrogène et l'air se croiseront à travers la membrane PFSA, et la tension de circuit ouvert (OCV) de la batterie diminuera.

Le mécanisme des défauts de la membrane PFSA peut être principalement divisé en deux aspects: l'atténuation causée par les dommages mécaniques et la dégradation de la membrane causés par l'électrochimie.

La membrane PFSA se développera et se rétrécira à plusieurs reprises sous des cycles humides et chauds, entraînant des cycles de stress. Au fil du temps, des fissures se produiront;

La génération de fissures favorisera la fuite et la pénétration croisée des gaz de réaction, aggravant la dégradation électrochimique;

Les défauts causés par la dégradation électrochimique deviendront les zones de concentration de contrainte, qui à leur tour accélèrent les dommages mécaniques.

Deux manifestations majeures demembrane de protonéchec

Image SEM de la structure membranaire PFSA endommagée

La génération de micropores ou de microfissures ne provoque pas immédiatement une défaillance de la membrane PFSA, mais s'étend à une certaine taille sous l'action d'une contrainte mécanique cyclique. Ce processus représente 50% de la vie de la membrane PFSA. Par conséquent, la résistance à la fatigue de la membrane PFSA est très importante.

OCV est un indicateur important pour mesurer la durée de vie de la membrane PFSA

La pénétration croisée de gaz grave à l'intérieur de la membrane PFSA entraînera une diminution de l'OCV. Il y a deux opinions à ce sujet.

Une vue est qu'à l'état du circuit ouvert, l'hydrogène pénètre dans la cathode et sous l'action électrocatalytique de la cathode, un potentiel mixte est généré pour former une demi-cellule locale, abaissant ainsi l'OCV de la batterie;

Une autre vision est qu'après que l'hydrogène pénètre dans la cathode, il est adsorbé à la surface du catalyseur PT, détruisant l'interface PT-O, réduisant le potentiel mixte PT-O et réduisant ainsi l'OCV.

La réduction de l'OCV peut également être causée par un court-circuit électronique.

Nous pouvons faire la distinction entre le court-circuit électronique et la pénétration du gaz en modifiant la pression partielle du gaz.

Lorsque la pression partielle du gaz augmente, la pression de gaz des deux côtés de la membrane est plus élevée, la perméation transmembranaire du gaz s'intensifiera et l'OCV diminuera considérablement; Il en va de même en arrière.

Si la diminution de l'OCV est liée à la pression du gaz, cela signifie qu'elle est liée à la perméation croisée du gaz, qui est causée par l'affaiblissement de la performance de la barrière du gaz de la membrane; Si la diminution de l'OCV n'est pas liée à la pression du gaz, cela signifie qu'elle est causée par un court-circuit électronique.

2. Diminution de la conductivité des protons

Lorsque la membrane PFSA est contaminée, les protons du groupe sulfonate sont remplacés par d'autres cations métalliques, ce qui entraîne à son tour une augmentation de la valeur EW équivalente matérielle de la membrane, une diminution du nombre de protons qui peuvent être libérés, et une diminution de la quantité d'eau pouvant être adaptée. Les deux ensemble font diminuer la conductivité du proton de la membrane de proton.

La valeur EW représente la masse de la membrane requise pour 1 mole d'ions hydrogène. Plus la valeur EW est petite, plus la densité de protons dans la membrane est petite et meilleure est la conductivité de la membrane.

De plus, lorsque la membrane de protons est attaquée par des radicaux libres, le groupe sulfonate se décompose, ou une réaction de polycondensation se produit sous un cycle de chaleur humide pour former l'anhydride, ceux-ci entraîneront la perte de protons de la membrane de protons, et entraîneront finalement une diminution de la conductivité.