【摘要】 深度解析PEMFC机械/化学/热降解机理，综述膜材料分类、电极失效及水管理问题，提供测试技术与未来研究方向。附SEM实验图像与数据引用。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）由电解质膜和阴阳两极组成，燃料与氧化剂分别通入两极。阳极分解燃料产生离子与电子，离子通过电解质膜传导，电子经外电路形成电流，最终在阴极与氧化剂结合生成水。

 

耐久性挑战与降解机制

PEMFC商业化面临的核心难题是耐久性不足，主要源于质子交换膜（PEM）的物理化学降解：

1.​机械降解：膜结构产生裂纹或针孔，导致气体泄漏与短路（见图2）。

2.​化学降解：过氧化氢自由基攻击膜化学结构，释放污染物。

3.​热降解：高温运行形成热点加速老化。

三者相互关联，共同缩短电池寿命。

 

电极与水管理问题

  • 催化剂颗粒团聚（奥斯特瓦尔德成熟）降低反应速率
  • 水管理失衡引发膜膨胀/收缩，导致膜电极组件（MEA）分层
  • 气体扩散电极（GDE）分离进一步降低电池活性

 

研究进展与测试技术

El-kharouf等综述指出，提升PEMFC耐久性需聚焦：

✅ 耐腐蚀膜材料开发

✅ 裂纹/针孔形成机制的量化分析

✅ 新型非原位测试方法（精准控制降解参数）

✅ 污染物与垫片材料的协同影响研究

 

质子交换膜材料分类

类型

特点

氟化膜

高稳定性（如Nafion）

非氟化膜

低成本，环保性佳

酸基复合膜

高温耐受性强

图1. 质子在Nafion完全水合条件下的转移。[1]

图2. PEM表面的图像(SEM)显示H2入口有裂纹。[1]

 

未来研究方向

1.建立膜化学结构降解预测模型

2.开发多机制耦合加速测试方法

3.优化高温/低温工况下的热管理策略

 

参考文献：1.El-kharouf, A., Chandan, A., Hattenberger, M., & Pollet, B. G. (2012). Proton exchange membrane fuel cell degradation and testing: review. Journal of the Energy Institute, 85(4), 188–200.

 

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