质子交换膜膜电极组件破坏机理的研究

The three-layer membrane electrode assembly (MEA), packaged by anode-proton exchange membrane-cathode, is the core of proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). During the long humid-heat loading cycle, it is likely to cause the delamination of MEA because of the nonuniform of internal stress distribution and stress concentration of each-layer material (membrane and electrode), thus, affecting the PEMFC’s life. It is hard to directly study by experiments due to the small size and complicated environment of MEA. Therefore, this project will use molecular dynamics method to establish the analysis model of MEA based on the match of water thermal expansion properties and mechanical characteristics for membrane and electrode, and then validate it by experiment results. Then, we will simulate the behavior of mechanical deformation of MEA under the load that is based on PEMFC work environment, and study the effects of material parameters on the damage evolution, then establish the failure criteria. The research results of this project will provide the theoretical guidance for the MEA’s optimal design.

三层式膜电极组件(阳极-质子交换膜-阴极)是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心，在长期湿热载荷循环工作中，由于各层材料弯曲、拉伸等的不同步引起内部应力分布不均和应力集中等，容易出现分层破坏，减少PEMFC的使用寿命。膜电极尺寸小以及工作环境复杂，直接的实验研究比较困难，所以本项目采用分子动力学的方法，建立膜和电极材料力学性能和水热膨胀性质相匹配的膜电极组件分析模型，结合已有的实验成果验证模型的正确性。在此基础上，依据PEMFC实际工作过程，模拟载荷作用下膜电极组件的力学变形行为，研究材料（物理、力学等）参数对破坏演化的影响机理，并建立破坏准则。本项目的研究成果可望为优化设计PEMFC膜电极组件提供理论指导。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）因燃料资源丰富，无污染，能量转化效率高，将是未来世界主要的清洁能源。但是耐久性低和寿命短限制了其商业化进程。膜电极组件(MEA) 是PEMFC的关键部件，是燃料化学反应的场所，在湿热循环加载的工作环境中，容易产生力学损伤，降低了耐久性。本项目研究了常见的力学损伤（膜和电极分层破坏、膜易出现针状孔洞）机理，是由于膜电极各层湿热膨胀性质不同引起负载循环工作中应力分布不均和应力集中导致的。.本项目主要从分子尺度上模拟研究膜电极微观结构和破坏变形的机理。（1）考察膜的化学成分（当量，主链长度，支链长度）、水含量，温度等对湿度膨胀系数、热膨胀系数，力学变形行为的影响；（2）考察电极层成分（铂颗粒，聚合物主链长度和氢氧燃料）及其含量，水含量，温度等对微观结构、湿膨胀系数、热膨胀系数，力学变形行为的影响；（3）建立湿热膨胀相匹配的膜电极的分子模型，考察了外部压强对膜电极稳定性的影响。.重要结果：（1）揭示了影响膜和电极湿、热膨胀性质的影响机理，提出降低湿热膨胀系数差的方案。（2）获得了商业膜117和212随湿度变化的溶胀性质和力学性能参数，结合纳观尺度模拟，揭示聚合物膜力学变形行为受溶胀行为影响的规律；（3）建立了氧气和氢气含量与电极层微观结构和力学变形行为之间的关系，揭示了电极层力学破坏的机理。（4）建立了最佳热压载荷下湿热性质相匹配的膜电极的分子模型。.科学意义：本项目研究了膜和电极的结构稳定性与力学损伤的内在规律，考察了燃料类型，水和温度的外部加载环境的影响因素，成果旨在从微纳观结构上设计膜电极各层材料，提高质子转移率、催化活性以及降低化学反应结果带来的力学损伤。为加快PEMFC商业化进程，早日实现全球零污染，缓解因资源争夺日益加剧的国家社区矛盾和战争做科学贡献。