PEM燃料电池垫片的损伤机理和寿命预测技术研究

垫片作为质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）燃料电池关键部件之一，在PEM燃料电池长时间运行中，其材料化学的、机械的和动态机械的稳定性对燃料电池的可靠性至关重要。本项目以PEM 燃料电池垫片为研究对象，综合运用化学、材料学、力学以及计算科学等理论和方法，采用试验测试手段和分析技术，结合数值模拟，展开PEM燃料电池垫片损伤和寿命预测的研究。从分子化学结构上，研究垫片材料在PEM燃料电池环境下长期使用，材料损伤的演变过程和损伤机理；考虑环境与力耦合作用，建立PEM燃料电池垫片材料的力学性能参数随时间、环境和力等多因素变化的关系；基于材料的损伤机理，研究垫片寿命加速试验方法，建立寿命预测模型，预测PEM燃料电池垫片部件的服务寿命，为低费用耐久性燃料电池垫片材料的开发以及燃料电池的可靠性研究提供理论基础和科学方法。

垫片作为质子交换膜（PEM）燃料电池关键部件之一，在PEM燃料电池运行过程中，长期处于燃料电池内部一种偏酸性、湿空气和氢环境中，并承受温度和机械压缩载荷作用，其材料化学的、机械和动态机械的稳定性和持久性对燃料电池的性能至关重要。本项目以PEM 燃料电池垫片为研究对象，分析垫片在PEM燃料电池环境下长期使用材料的损伤和损伤机理，研究垫片暴露在PEM燃料电池环境下的寿命预测方法。 主要研究工作和结果如下：.（1）重量损失和光学显微镜试验结果表明，温度和老化环境对垫片材料损伤有重要影响；试样暴露到试验环境中，其表面损伤表现为由起初光滑平整逐渐变为粗糙直至裂纹的产生和扩展。（2）ATR-FTIR和XPS试验结果表明，试样暴露在模拟的PEM燃料电池环境下，表面的化学结构发生了变化；材料在PEM燃料电池环境下损伤机理主要是高分子材料主链（Si-O-Si）和侧链（Si-CH3）断裂以及高分子交联区（C-C）水解所致；材料暴露在正规溶液中和暴露在ADT溶液中有一致的损伤机理；基于损伤机理，获得了材料的加速寿命试验方法。（3）基于原子吸收谱技术和电化学性能试验，结果表明垫片损伤后所产生的金属离子及其浓度对PEM燃料电池的电化学性能有重要影响；随着金属离子浓度增加，燃料电池性能不断降低。（4）机械性能和动态机械性能试验结果表明，随着温度的升高和/或试验溶液中酸浓度的增大，材料的拉伸强度降低，压缩永久变形和压缩应力松弛模量增加；试样暴露在模拟的PEM燃料电池环境下材料的动态机械性能发生了变化；温度和介质对材料的动态机械性能变化有重要影响。（5）基于时间—温度叠加原理，构建了垫片材料应力松弛行为主曲线；同时，建立了垫片材料的力学模型，得到了垫片材料暴露在温度为T的PEM燃料电池环境下应力松弛模量E(t,T)与时间t关系。（6）建立了材料的寿命预测模型，提出了垫片材料在PEM燃料电池环境下寿命预测方法。