Modeling and Simulation of the Degradation of Perfluorinated Ion-Exchange Membranes in PEM Fuel Cells

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作者
A.A. Shah,T. R. Ralph,Frank C. Walsh
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:156 (4): B465-B465 被引量:139
标识
DOI:10.1149/1.3077573
摘要

A polymer electrolyte membrane PEM fuel cell model that incorporates chemical degradation in perfluorinated sulfonic acid membranes is developed. The model is based on conservation principles and includes a detailed description of the transport phenomena. A degradation submodel describes the formation of hydrogen peroxide via distinct mechanisms in the cathode and anode, together with the subsequent formation of radicals via Fenton reactions involving metal-ion impurities. The radicals participate in the decomposition of reactive end groups to form carboxylic acid, hydrogen fluoride, and CO 2 . Degradation proceeds through unzipping of the polymer backbone and cleavage of the side chains. Simulations are presented, and the numerical code is shown to be extremely time-efficient. Known trends with respect to operating conditions are qualitatively captured, and the exhibited behavior is shown to be robust to changes in the rate constants. The feasibility of a chemical degradation mechanism based on peroxide and radical formation is discussed.
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