氢燃料电池质子交换膜关键性能测试
2024-08-1367氢燃料电池
质子交换膜关键性能测试
Testing of Proton Exchange Membrane
氢燃料电池，是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的一种类型，是用质子交换膜将阳极氢气和阴极氧气的化学能通过电化学反应，转化为电能、热能和其他反应产物的发电装置，具有效率高、环境友好的特点。
膜电极是其核心部件，由质子交换膜、催化剂层和气体扩散层组成，直接影响电池性能。在大规模商业化普及的趋势下，需要降低生产成本，因此材料选择与性能研究尤为重要。
透气性能
质子交换膜是氢燃料电池的重要部件，既提供氢质子的传导通道，又作为燃料（氢气）和氧化剂（氧气）的阻隔屏障。研究证明，质子交换膜的氢气透过率越高，电极输出电动势越低。到达阴极催化剂的氢气遇氧产生的自由基会诱使质子膜的降解速度加快。
根据GB/T 20042.3-2022《质子交换膜燃料电池 第3部分：质子交换膜测试方法》规定，质子交换膜的透气性采用目前普遍使用的压差法测试方法，具有测试效率高、试验气体多样的优点。测试过程中，样品将仪器测试腔密闭分隔为高压腔和低压腔，试验气体从高压腔渗透扩散至低压腔，通过监测压力变化识别气体渗透达到稳态，测试仪器自动计算样品的气体透过率和透过系数。
结合氢燃料电池的实际应用需求，Labthink 危险气体定制版压差法气体渗透仪的测试下限可达0.05cm3/(m2?24h?0.1MPa)，支持微量气体透过率测试。针对高温高湿测试需求，仪器可通过测试直接获得5℃～95℃温度下，不同试验湿度条件的透气率数据，还能借助Labthink 数据拟合技术获得材料在极端温度下的气体透过情况。针对高压测试需求，Labthink也开放了定制渠道，以满足用户的需求。
由于氢气的不稳定性和易燃易爆性，需要严格按照气体特性控制整个测试环境，包括测试仪器内部的危险气体含量，并加强试验尾气的处理。我们采用三重措施来保障测试过程的安全，该仪器目前已经通过欧洲TüV SüD安全认证。
氢能燃料电池质子交换膜压差法气体渗透仪，是一种高精度、高效率的测试设备，在燃料电池研发、生产和质量控制过程中具有广泛应用。通过测量质子交换膜的透气率，可以评估燃料电池的性能和耐久性，为燃料电池的进一步优化和改进提供技术支持及重要依据。
拉伸性能
除了低透气性，质子交换膜还需具备良好的拉伸性能，以保障燃料电池长时间安全工作。根据GB/T 20042.3-2022《质子交换膜燃料电池 第3部分：质子交换膜测试方法》规定，拉伸性能包括 “拉伸强度”、“弹性模量”、“断裂拉伸应变”等指标，以此评估材料所能承受的最大强度、韧性和延展性。
该项目利用智能电子拉力试验机，以50mm/min~200mm/min的速度测试横向、纵向长条样品断裂时最大的负荷以及原始标距单位长度的增量，计算出拉伸强度、弹性模量和断裂拉伸应变值。
180°剥离强度
由于质子交换膜质地较软，在实际应用中需要以一定强度的粘合力复合在某种具有一定厚度和弹性的挠性基材上，以此为支撑和保护。两种材料间的复合强度，无论过高或过低都会对其使用寿命产生影响。因此GB/T 20042.3-2022规定，采用180°剥离强度值来表征质子交换膜和基材的复合强度。
实际测试中，可以选择智能电子拉力试验机，也可以选择专业的剥离试验机进行测试。测试同样采用长条试样（15mm╳250mm），沿试样方向将复合层与基材预先剥离50mm。将剥开部分分别装夹在仪器的上下夹具中，以300mm/min的速度使上下夹具分离，通过记录测试过程的剥离力，计算样品的180°剥离强度。
由于质子交换膜和基材的复合强度较小，因此测试所用的智能电子拉力试验机或者剥离试验机建议选用小量程传感器，比如5N、10N、30N，具体需要根据实际样品情况进行选择，以减少测试误差。
厚度均匀性
质子交换膜的厚度直接影响其性能和寿命，因此需要精准的厚度数据作为研发参考，并确保膜材料具有良好的厚度均匀性。
根据GB/T 20042.3-2022规定，厚度均匀性测试选用具有代表性的、无折皱、缺陷、破损的样品制为有效面积至少100cm2的圆形或者方形样品。利用精度不低于0.1μm的接触式测厚仪测试至少30个均匀分布点位的厚度值。连续测试3片样品，自动测得样品的平均厚度值，由此计算厚度极差、厚度相对偏差等值，来表征样品的厚度均匀性。
需要重点注意的是，质子交换膜对压力敏感度高，因此标准强调，为了避免测量头接触试样导致试样变形，测试过程中测量头施加在样品表面的强度在0.7 N/cm2 ~2 N/cm2。
由于质子交换膜和基材的复合强度较小，因此测试所用的智能电子拉力试验机或者剥离试验机建议选用小量程传感器，比如5N、10N、30N，具体需要根据实际样品情况进行选择，以减少测试误差。
当前，Labthink已与新能源行业众多企事业单位以及科研院校携手，积极发挥在仪器研发制造和测试领域的经验优势，聚焦燃料电池产业，开展深入合作，共同推进新能源行业的快速创新发展。
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