膜表面划痕对燃料电池耐久性的影响机制及自稳定策略研究

为解决燃料电池制造过程中膜电极组件(MEA)表面划痕引发的局部降解问题，研究人员通过X射线计算机断层扫描(XCT)和化学-机械加速应力测试(AST)，系统研究了划痕宽度、方向及气体扩散层(GDL)摩擦等参数对降解的影响。研究发现划痕区域通过催化剂缺失减少85%化学降解，并通过膜-微孔层融合消除拉伸应力，揭示了ePTFE增强膜的自稳定机制，为低成本规模化生产提供了质量控制依据。

　　

在全球能源转型背景下，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其零排放特性成为交通领域的重要选择。然而，高昂的生产成本和未经验证的长期耐久性仍是商业化瓶颈。制造过程中产生的膜电极组件(MEA)表面划痕等非均匀性缺陷，可能引发局部应力集中和化学降解，但此前缺乏系统性研究。

加拿大西蒙菲莎大学的研究团队通过创新性实验设计，揭示了划痕对增强型膜耐久性的双重影响机制。研究采用GORE-SELECT?增强膜（15 μm厚，含ePTFE增强层）制备含人工划痕的MEA，结合X射线计算机断层扫描(XCT)进行四维成像追踪，并开展30次化学-机械耦合加速应力测试(AST)。化学AST采用20小时开路电压(OCV)保持（50%相对湿度），机械AST通过20次干/湿循环（85°C）实现。通过对比通道方向(CD)与跨通道方向(CCD)划痕的演变规律，结合有限元建模揭示了关键控制参数。

关键技术方法包括：1）微米级精度XCT实现划痕区域原位三维成像；2）定制小型化燃料电池硬件（8×18 mm活性面积）适配X射线穿透需求；3）非线性有限元模型模拟膜在干/湿循环中的应力应变分布；4）电化学泄漏检测(ELDT)和循环伏安法(CV)监控性能衰减。

3.1 初始状态异常
XCT显示划痕深度均达增强层（约5 μm），导致阴极催化剂层(CCL)无法通过转印法附着。这种"意外缺陷"反而形成保护机制——无催化剂区域减少自由基攻击，为后续自稳定现象埋下伏笔。

3.2 电化学诊断与整体降解
ELDT数据表明划痕未显著增加氢气渗透（ΔELDT<40 mV）。SEM显示划痕区域化学降解比正常区域降低70-85%，证实催化剂缺失有效抑制了Fenton反应链。关键发现是膜-微孔层(MPL)在高压区域发生融合，形成机械支撑结构。

3.3 摩擦效应
有限元分析揭示：当CCM-GDL摩擦系数足够大时，膜向划痕区域的横向位移被抑制，使最大应力降低46%。实验观察到无摩擦状态下125 μm宽划痕会收缩至105 μm，而高摩擦样本保持尺寸稳定。

3.4 划痕宽度与干扰因素
临界宽度理论被提出：当划痕宽度超过140 μm时，膜可形成多波状变形分散应力。但XCT捕捉到膜碎片或GDL凸起会破坏这种平衡，导致局部应力激增300%，引发裂纹（如图10D所示）。

3.5 GDL支撑效应
在CCD样本中发现GDL塌陷填充划痕腔体的特殊案例（图11）。这种"自然修复"使膜在溶胀时无法弯曲，最大拉伸应力降至0.5 MPa，为设计柔性GDL提供新思路。

3.6 方向性响应
CD划痕因流道压力梯度产生不对称变形，而CCD划痕在均匀压力下形成对称波形。前者在低压侧出现应力集中，后者应力分布更均匀。

3.7 有限元验证
模型成功复现实验现象（R²=0.996），表明：1）完全抑制膜位移（模拟GDL塌陷）可使应力降低85%；2）部分抑制（模拟碎片干扰）导致应力波动幅度增加2倍。

这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的研究具有双重意义：理论上，首次阐明划痕区域"缺陷即保护"的自稳定机制——通过CCL缺失减少H₂O₂自由基攻击，通过MPL融合抵消机械应力；应用上，提出五项质量控制优化建议：1）保持高CCM-GDL摩擦；2）清除所有膜碎片；3）控制划痕宽度<300 μm；4）优先选择CCD方向划痕；5）采用可塌陷GDL设计。该成果为降低燃料电池生产成本提供了科学依据，证明部分"缺陷"在可控参数下可被合理化利用，突破了过去追求绝对完美的制造范式。