PEMFC的電解質是全氟磺酸質子交換膜（PFSA膜），在燃料電池電池/電解池中主要起著阻隔氫氣和空氣、阻隔電子以及傳導質子的功能。隨著運行時間的延長，PFSA膜的結構將發生變化，各項功能將會不可避免地受到影響，主要體現在以下兩個方面。

一、氣體交叉滲透

PFSA膜長時間工作后，厚度會減薄，并出現裂紋、穿孔等缺陷，阻隔氣體的能力將大大減弱，氫氣空氣通過PFSA膜交叉滲透，電池開路電壓（open circuit voltage,OCV）降低。

PFSA膜缺陷產生的機理主要可以分為兩個方面：機械破壞引起的衰減和電化學引起的膜降解。

• PFSA膜在濕熱循環下會反復膨脹、收縮，產生應力循環，久而久之，便會產生裂紋；
• 裂紋的產生，會促使反應氣體泄露和交叉滲透，加劇電化學降解；
• 電化學降解產生的缺陷又會成為應力集中區域，反過來加速機械破壞。

PFSA膜結構受到破壞的SEM圖

微孔或微裂紋的產生并不會立刻引起PFSA膜失效，而是在循環機械應力的作用下擴展到一定的尺寸，這一過程占據了PFSA膜壽命的50%。因此PFSA膜的抗疲勞性能十分重要。

OCV是衡量PFSA膜壽命的一個重要指標

PFSA膜內部氣體交叉滲透嚴重，會導致OCV的降低，對此有兩種說法。

• 一種觀點認為，在開路狀態下，氫氣滲透到陰極，在陰極的電催化作用下，產生混合電勢，形成一個局部半電池，從而拉低了電池的OCV；
• 另一種觀點認為，氫氣滲透到陰極以后，吸附在Pt催化劑表面，破壞了Pt-O界面，降低了Pt-O混合電勢從而降低了OCV。

OCV降低也有可能是因為電子短路而造成。

我們可以通過改變氣體分壓的方式，區分電子短路和氣體滲透。

• 當氣體分壓增大時，膜兩側氣壓較大，氣體跨膜滲透會加劇，OCV下降明顯；反過來也是同樣的道理。
• 若OCV下降與氣體壓力有關，則說明與氣體交叉滲透有關，由膜的阻氣性能減弱所導致；若OCV下降與氣體壓力無關，則說明由電子短路造成。

二、質子電導率下降

當PFSA膜受到污染，磺酸根上的質子被其他金屬陽離子所取代，進而導致膜的物質當量EW值增大，能夠釋放的質子數量減少，所能容納的水分減少，兩者共同造成質子膜的質子電導率降低。

EW值表示的是 1mol氫離子所需要的膜的質量。EW值越小，說明膜內的質子密度越大，膜的導電性越好。

除此之外，在質子膜受到自由基攻擊導致磺酸根分解，或者在濕熱循環下發生縮聚反應生成酸酐，這些都會使質子膜丟失質子，增大其EW值，最終引起電導率降低。

來源：知乎東邊

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原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）：質子膜失效的兩大表現