燃料电池质子交换膜机械失效机理与预测模型

Mechanical failure of proton exchange membrane (PEM) plays a dominate role in the leakage and permanent damage of fuel cell. Most current failure studies are carried out based on evaluation criterion of macroscopic stress, which leads to imprecise prediction of PEM failure behavior. It seriously restricts the lifetime improvement of the fuel cell.. In this project, a novel methodology for mechanical failure prediction is established to simulate the crack evolution with consideration of intrinsic micro channel growth using meso-mechanics theory. Considering the coupled hydrothermal effect, nonlinear visco-elastic-plastic constitutive model is built for the PEM material in the fuel cell. According to the characteristic of crazing damage evolvement under hydrothermal effect, wedge void nucleation, growth and coalescence are described quantitatively to construct the micro damage model for PEM. Based on the constitutive relation and micro damage model, prediction model of loaded fuel cell is established to investigate the failure mechanism of PEM under the complexed operation conditions. Experimental platform is built to verify the failure prediction model. This methodology is helpful to provide the theoretical and technical support for the operation process optimization and lifetime improvement of PEM fuel cell.

质子交换膜的机械失效是导致燃料电池发生窜气故障和永久性破坏的主要原因，现有的基于宏观应力判据的机械产品失效模型，难以精确预测质子交换膜的失效行为，严重制约着燃料电池寿命的提升。.本项目将细观力学理论引入质子交换膜固有微观通道的演化过程分析，提出基于膜面银纹演化的质子交换膜机械损伤失效的预测方法。建立质子交换膜材料的粘弹-塑性本构模型，精确计入温湿激发的热膨胀与水合溶胀耦合作用对材料力学特性的影响；研究温度及湿度对质子膜微孔洞扩展、聚合的影响机制，建立质子交换膜细观损伤模型，揭示质子膜典型损伤模式-膜面银纹的萌生、扩展等演化规律。在此基础上，综合考虑质子交换膜材料的温湿特性和微观损伤行为以及工作过程动态载荷特征，建立质子交换膜的失效预测模型，探索燃料电池运行工况参数对质子交换膜损伤失效的影响规律，并通过质子膜失效实验台进行验证，为燃料电池动态运行参数优化和寿命提升提供理论与技术支持。

质子交换膜的机械失效是导致燃料电池发生窜气故障和永久性破坏的主要原因。本项目针对质子交换膜机械失效问题，研究了温湿作用的质子交换膜材料非线性本构建模方法，提出了超薄质子膜损伤失效描述方法，建立了考虑燃料电池动态载荷特征的质子交换膜失效预测模型，形成了质子交换膜机械损伤失效的预测方法，可为提高燃料电池耐久性提供理论与技术支撑。. 项目面向燃料电池长寿命需求，针对质子交换膜机械失效问题，在以下方面取得进展：1）实验获得了质子膜材料的非线性流变行为与温湿环境影响效应，建立了基于Silberstein-Boyce模型的非线性粘弹塑性本构描述方法，精确计入了温湿激发的热膨胀与水合溶胀耦合作用的影响，模型预测精度在80%以上；2）考虑燃料电池运行环境中化学衰减的影响，结合NMR氟谱分析和离子色谱分析，以氟离子释放速率表征质子膜基团脱离程度，通过剪切模量衰减因子和体积模量衰减因子引入化学衰减对膜材料应力应变关系的影响；3）研究了质子膜在剪应力作用下的损伤演化及冷启动过程中的加速衰减效应，揭示了其在燃料电池环境中的损伤机制，建立了基于微观结构演化的质子膜损伤预测方法；4）建立了综合反应气体、温湿负载等动态载荷谱的质子膜失效行为仿真模型，分析了影响质子膜机械衰减的主要因素，提出了质子膜长寿命运行控制方法；5）在上述模型和分析方法的基础上，通过构建燃料电池装配平台，减小了由于装配误差引起的质子膜局部受力不均匀，采用建立的质子膜耐久性工况运行策略，完成了燃料电池500h寿命实验，实验表明质子膜未出现明显损伤，阴阳极泄漏量仅提高6%，电池性能衰减3.15%。. 在该项目支持下，共发表SCI论文13篇，授权发明专利4项，转让1项，项目负责人获2020年度中国汽车工业科学技术奖一等奖（排6），2019年度上海市技术发明特等奖（排9）；提出了面向质子膜长寿命运行的部件设计方法和运行参数控制策略，支撑了相关企业大功率燃料电池电堆开发。