PEMFC的电解质是全氟磺酸质子交换膜（PFSA膜），在燃料电池电池/电解池中主要起着阻隔氢气和空气、阻隔电子以及传导质子的功能。随着运行时间的延长，PFSA膜的结构将发生变化，各项功能将会不可避免地受到影响，主要体现在以下两个方面。

一、气体交叉渗透

PFSA膜长时间工作后，厚度会减薄，并出现裂纹、穿孔等缺陷，阻隔气体的能力将大大减弱，氢气空气通过PFSA膜交叉渗透，电池开路电压（open circuit voltage,OCV）降低。

PFSA膜缺陷产生的机理主要可以分为两个方面：机械破坏引起的衰减和电化学引起的膜降解。

• PFSA膜在湿热循环下会反复膨胀、收缩，产生应力循环，久而久之，便会产生裂纹；
• 裂纹的产生，会促使反应气体泄露和交叉渗透，加剧电化学降解；
• 电化学降解产生的缺陷又会成为应力集中区域，反过来加速机械破坏。

PFSA膜结构受到破坏的SEM图

微孔或微裂纹的产生并不会立刻引起PFSA膜失效，而是在循环机械应力的作用下扩展到一定的尺寸，这一过程占据了PFSA膜寿命的50%。因此PFSA膜的抗疲劳性能十分重要。

OCV是衡量PFSA膜寿命的一个重要指标

PFSA膜内部气体交叉渗透严重，会导致OCV的降低，对此有两种说法。

• 一种观点认为，在开路状态下，氢气渗透到阴极，在阴极的电催化作用下，产生混合电势，形成一个局部半电池，从而拉低了电池的OCV；
• 另一种观点认为，氢气渗透到阴极以后，吸附在Pt催化剂表面，破坏了Pt-O界面，降低了Pt-O混合电势从而降低了OCV。

OCV降低也有可能是因为电子短路而造成。

我们可以通过改变气体分压的方式，区分电子短路和气体渗透。

• 当气体分压增大时，膜两侧气压较大，气体跨膜渗透会加剧，OCV下降明显；反过来也是同样的道理。
• 若OCV下降与气体压力有关，则说明与气体交叉渗透有关，由膜的阻气性能减弱所导致；若OCV下降与气体压力无关，则说明由电子短路造成。

二、质子电导率下降

当PFSA膜受到污染，磺酸根上的质子被其他金属阳离子所取代，进而导致膜的物质当量EW值增大，能够释放的质子数量减少，所能容纳的水分减少，两者共同造成质子膜的质子电导率降低。

EW值表示的是 1mol氢离子所需要的膜的质量。EW值越小，说明膜内的质子密度越大，膜的导电性越好。

除此之外，在质子膜受到自由基攻击导致磺酸根分解，或者在湿热循环下发生缩聚反应生成酸酐，这些都会使质子膜丢失质子，增大其EW值，最终引起电导率降低。

来源：知乎东边

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原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）：质子膜失效的两大表现