Hai biểu hiện chính của sự cố màng proton

Chất điện giải của PEMFC là axit perfluorosulfonicMàng trao đổi proton(Màng PFSA), chủ yếu đóng vai trò ngăn chặn hydro và không khí, ngăn chặn các electron và tiến hành các proton trongpin nhiên liệuTế bào/chất điện phân. Khi thời gian hoạt động tăng, cấu trúc củaMàng PFSAsẽ thay đổi, và các chức năng khác nhau chắc chắn sẽ bị ảnh hưởng, chủ yếu trong hai khía cạnh sau.

1. Khí thu hút chéo

Sau khi làm việc trong một thời gian dài, độ dày của màng PFSA sẽ bị giảm và các khiếm khuyết như vết nứt và lỗ đục sẽ xuất hiện. Khả năng ngăn chặn khí sẽ bị suy yếu rất nhiều, và hydro và không khí sẽ xuyên thấu xuyên qua màng PFSA và điện áp mạch mở (OCV) của pin sẽ giảm.

Cơ chế của các khiếm khuyết màng PFSA có thể được chia thành hai khía cạnh: suy giảm do tổn thương cơ học và suy thoái màng gây ra bởi điện hóa học.

Màng PFSA sẽ liên tục mở rộng và co lại dưới chu kỳ ẩm ướt và nóng, dẫn đến chu kỳ căng thẳng. Theo thời gian, các vết nứt sẽ xảy ra;

Việc tạo ra các vết nứt sẽ thúc đẩy sự rò rỉ và xâm nhập chéo của khí phản ứng, làm nặng thêm sự suy giảm điện hóa;

Các khiếm khuyết gây ra bởi sự xuống cấp điện hóa sẽ trở thành các khu vực tập trung căng thẳng, từ đó tăng tốc thiệt hại cơ học.

Hai biểu hiện chính củaMàng protonsự thất bại

Hình ảnh SEM của cấu trúc màng PFSA bị hư hỏng

Việc tạo ra các micropores hoặc vicrocracks không gây ra sự cố màng PFSA ngay lập tức, nhưng mở rộng đến một kích thước nhất định dưới tác động của căng thẳng cơ học theo chu kỳ. Quá trình này chiếm 50% tuổi thọ của màng PFSA. Do đó, sức đề kháng mệt mỏi của màng PFSA là rất quan trọng.

OCV là một chỉ số quan trọng để đo tuổi thọ của màng PFSA

Tham quan chéo khí nghiêm trọng bên trong màng PFSA sẽ dẫn đến giảm OCV. Có hai ý kiến ​​về điều này.

Một quan điểm là ở trạng thái mạch mở, hydro xâm nhập vào cực âm và dưới tác động điện phân của cực âm, một tiềm năng hỗn hợp được tạo ra để tạo thành một nửa tế bào cục bộ, do đó làm giảm OCV của pin;

Một quan điểm khác là sau khi hydro xâm nhập vào cực âm, nó được hấp phụ trên bề mặt của chất xúc tác Pt, phá hủy giao diện PT-O, làm giảm tiềm năng hỗn hợp PT-O và do đó làm giảm OCV.

Việc giảm OCV cũng có thể được gây ra bởi ngắn mạch điện tử.

Chúng ta có thể phân biệt giữa ngắn mạch điện tử và thâm nhập khí bằng cách thay đổi áp suất một phần khí.

Khi áp suất một phần khí tăng, áp suất khí ở cả hai bên của màng lớn hơn, sự thẩm thấu màng khí sẽ tăng cường và OCV sẽ giảm đáng kể; Điều tương tự là đúng ngược lại.

Nếu giảm OCV có liên quan đến áp suất khí, điều đó có nghĩa là nó có liên quan đến quá trình sinh sản chéo khí, điều này là do sự suy yếu của hiệu suất hàng rào khí của màng; Nếu giảm OCV không liên quan đến áp suất khí, điều đó có nghĩa là nó được gây ra bởi các mạch điện tử.

2. Giảm độ dẫn proton

Khi màng PFSA bị ô nhiễm, các proton trên nhóm sulfonate được thay thế bằng các cation kim loại khác, từ đó dẫn đến sự gia tăng giá trị EW tương đương vật liệu của màng, giảm số lượng proton có thể được giải phóng và giảm lượng nước có thể chứa. Cả hai cùng nhau làm cho độ dẫn proton của màng proton giảm.

Giá trị EW đại diện cho khối lượng của màng cần thiết cho 1 mol các ion hydro. Giá trị EW càng nhỏ, mật độ proton trong màng càng lớn và độ dẫn của màng càng tốt.

Ngoài ra, khi màng proton bị tấn công bởi các gốc tự do, nhóm sulfonate bị phân hủy hoặc phản ứng polycondensation xảy ra dưới chu kỳ nhiệt ướt để hình thành anhydride, những điều này sẽ khiến màng proton mất các proton, làm tăng giá trị EW của nó và cuối cùng gây ra sự giảm độ dẫn.