燃料電池堆關(guān)鍵部件質(zhì)子交換膜的性能測試方案

摘要：質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡稱PEMFC）是用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)的燃料電池，是將外部供應(yīng)的燃料（氫氣）和空氣中的氧化劑（氧氣）的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能、熱能和其他反應(yīng)產(chǎn)物的發(fā)電裝置。由于車用質(zhì)子交換膜燃料電池集中了氫、熱、電、壓力等所有危險因素，因此，標準GB/T 20042.2-2008對質(zhì)子交換膜燃料電池堆安全性提出了詳細要求和設(shè)計提示。質(zhì)子交換膜作為PEMFC的核心部件之一，其各項性能指標測試也就成為了生產(chǎn)企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量管控的重點關(guān)注對象。

關(guān)鍵詞：燃料電池堆、質(zhì)子交換膜、燃料電池、氫氣、電池、氧氣、電解質(zhì)、厚度、剝離強度、拉伸、透氣率、氣體透過率

概　　述

質(zhì)子交換膜燃料電池的主要結(jié)構(gòu)包括質(zhì)子交換膜、兩側(cè)的多孔電極催化劑層和氣體擴散層，以及外側(cè)構(gòu)成氣體傳輸通道和電子導(dǎo)體的極板。其中，質(zhì)子交換膜是燃料電池的核心部件之一。質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane，縮寫為PEM）是一種離子聚合物的半透膜，厚度一般僅為10μm左右，設(shè)計用于質(zhì)子傳導(dǎo)隔絕氧或氫。能傳遞質(zhì)子但對電子絕緣，起到傳導(dǎo)氫離子、隔絕燃料和氧化劑、阻斷電子的作用。因此，PEM決定了燃料電池的性能、穩(wěn)定性和耐久性，必須具備以下六種基本性能：質(zhì)子導(dǎo)電率、穩(wěn)定性、透氣性、吸水性、水電滲透性以及力學(xué)強度。

目前，國內(nèi)有關(guān)質(zhì)子交換膜性能測試的標準有GBT 20042.3-2022《質(zhì)子交換膜燃料電池 第3部分：質(zhì)子交換膜測試方法》。此標準針對質(zhì)子交換膜的“拉伸強度"、“180°剝離強度"、“氣體透過率"、“氣體透過系數(shù)"、“厚度"等性能指標檢測，提出了明確的技術(shù)要求與測試方法。Labthink蘭光，一直專注于檢測技術(shù)提升與檢測儀器研發(fā)，助力各行業(yè)客戶解決產(chǎn)品質(zhì)量難題。參考以上標準，Labthink蘭光借此文為新能源行業(yè)客戶提供燃料電池質(zhì)子交換膜的產(chǎn)品性能測試解決方案，以期與行業(yè)中的企事業(yè)單位增進技術(shù)交流與合作。

一、氣體阻隔性能測試（氣體透過率/氣體透過系數(shù)/透氣率）

質(zhì)子交換膜作為PEMFC的核心部件之一，它能夠?qū)㈥帢O和陽極分隔開，阻止燃料（氫氣）和氧化劑（氧氣）直接混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。該作用可以用氣體透過率來評價，氣體透過率越高，則膜的氣體阻隔性能越差，氫氣和氧氣接觸越多，就會使得電池兩極電勢差越低，電池的開路電壓(Open Circuit Voltage，OCV)也就越低。所以，質(zhì)子交換膜材料的氣體透過率指標也就十分重要，是企業(yè)需要重點監(jiān)控的性能之一。

Labthink自主研發(fā)生產(chǎn)的VAC-V2壓差法氣體滲透儀，是一款專業(yè)用于薄膜試樣的氣體透過率測試儀，基于壓差法的測試原理，適用于塑料薄膜、復(fù)合膜、高阻隔材料、片材、金屬箔片在各種溫度下的氣體透過率、溶解度系數(shù)、擴散系數(shù)、滲透系數(shù)的測定。儀器符合并滿足GBT 20042.3-2022《質(zhì)子交換膜燃料電池 第3部分：質(zhì)子交換膜測試方法》標準中對質(zhì)子交換膜的“氣體透過率"和“氣體透過系數(shù)"指標的測試要求，可專業(yè)用于檢測質(zhì)子交換膜的氣體透過性能，可檢測氫氣透過、氧氣透過等。

VAC-V2壓差法氣體滲透儀

二、力學(xué)強度測試（拉伸強度/斷裂拉伸/剝離強度）

質(zhì)子交換膜力學(xué)強度指標的好壞直接關(guān)系到材料本身耐機械損傷的能力，從而影響其機械穩(wěn)定性以及燃料電池堆的使用壽命。標準GBT 20042.3-2022對“拉伸強度"、“斷裂拉伸應(yīng)變"、“彈性模量"、“180°剝離強度"指標檢測有明確的要求。

針對質(zhì)子交換膜的力學(xué)強度檢測，推薦使用Labthink蘭光自助研發(fā)的C610H和C610M型號的智能電子拉力試驗機完成試驗。以C610H拉力機為例，該儀器是一款專業(yè)用于測試各種軟質(zhì)材料拉伸性能等力學(xué)特性的電子拉力試驗機，采用0.5級高精度力值傳感器，一臺試驗機集成拉伸、剝離、撕裂、熱封、定伸抗拉、下壓等專業(yè)獨立的測試程序，為用戶提供多種試驗項目選擇，能夠滿足多種測試需求。結(jié)合標準測試要求，C610H拉力機一臺設(shè)備就可以完成質(zhì)子交換膜的拉伸高度、斷裂拉伸、180°剝離強度檢測，同時，配置專業(yè)穿刺力測試夾具，可進行膜材的抗穿刺性能測試。一機多用，高性價比。

C610H智能電子拉力試驗機

三、厚度測試

質(zhì)子交換膜厚度與燃料電池安全性和性能密切相關(guān)，這是因為質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)阻力是燃料電池輸出壓降的主要組成之一，厚度大則表示傳導(dǎo)阻力大性能低，厚度小則容易壓傷刺穿；另一方面質(zhì)子交換膜中的結(jié)合水從陰極側(cè)反向擴散到陽極側(cè)是由兩側(cè)之間的含水量梯度驅(qū)動的，厚度小則含水量梯度大，反向擴散強，從而允許更多的結(jié)合水電遷移，提高活性面積內(nèi)的電流密度。由此可見，企業(yè)對質(zhì)子交換膜厚度參數(shù)的確定與監(jiān)控尤為重要。

質(zhì)子交換膜的厚度均勻性測試，推薦選用Labthink蘭光研發(fā)的C640測厚儀進行測量。C640是一款高精度、高重復(fù)性的機械接觸式精密測厚儀，專業(yè)適用于量程范圍內(nèi)的薄膜、薄片、紙張、瓦楞紙板、紡織材料、非織造布、固體絕緣材料等各種材料的厚度精密測量。儀器搭載了Labthink新一代版控制分析軟件，操作友好、數(shù)據(jù)處理智能；同時支持Labthink*的DataShield數(shù)據(jù)盾系統(tǒng)（可選配置），為用戶提供極為安全可靠的測試數(shù)據(jù)和測試報告管理功能。

C640測厚儀

總　　結(jié)

近年來，新能源燃料電池行業(yè)的發(fā)展持續(xù)加速，燃料電池電堆及系統(tǒng)正向大功率快速迭代升級，技術(shù)水平也隨之快速提高。產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，更進一步促進了行業(yè)的規(guī)范化、細節(jié)化、具體化，關(guān)注燃料電池控制技術(shù)的研究與把控。

Labthink蘭光，專注于通過材料檢測技術(shù)提升和檢測儀器研發(fā)幫助客戶應(yīng)對包裝難題，助力相關(guān)產(chǎn)業(yè)的品質(zhì)安全。聚焦檢測，不斷探索，目前已擁有200余項技術(shù)，取得了“自主核心傳感器技術(shù)"重大突破，形成以C系列為核心的產(chǎn)品群，覆蓋包裝及相關(guān)材料透氧、透氣、透濕、力學(xué)、熱封、熱粘、熱縮、摩擦系數(shù)、測厚、沖擊、密封泄漏、頂空氣體分析、粘性、揉搓等性能測試。如需了解以上性能指標的檢測儀器，您可登陸濟南蘭光公司網(wǎng)站查看或致電咨詢。愈了解，愈信任！Labthink蘭光期待與行業(yè)中的企事業(yè)單位增進技術(shù)交流與合作！