摘要：質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡(jiǎn)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(guò)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(xiǎn)因素，因此，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20042.2-2008對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池堆安全性提出了詳細(xì)要求和設(shè)計(jì)提示。質(zhì)子交換膜作為PEMFC的核心部件之一，其各項(xiàng)性能指標(biāo)測(cè)試也就成為了生產(chǎn)企業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量管控的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)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(qiáng)度、拉伸、透氣率、氣體透過(guò)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(kuò)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(jì)用于質(zhì)子傳導(dǎo)隔絕氧或氫。能傳遞質(zhì)子但對(duì)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(qiáng)度。
目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)質(zhì)子交換膜性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試方法》。此標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)質(zhì)子交換膜的“拉伸強(qiáng)度"、“180°剝離強(qiáng)度"、“氣體透過(guò)率"、“氣體透過(guò)系數(shù)"、“厚度"等性能指標(biāo)檢測(cè)，提出了明確的技術(shù)要求與測(cè)試方法。Labthink蘭光，一直專注于檢測(cè)技術(shù)提升與檢測(cè)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(biāo)準(zhǔn)，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(cè)試解決方案，以期與行業(yè)中的企事業(yè)單位增進(jìn)技術(shù)交流與合作。
一、氣體阻隔性能測(cè)試（氣體透過(guò)率/氣體透過(guò)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(yáng)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(guò)率來(lái)評(píng)價(jià)，氣體透過(guò)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(huì)使得電池兩極電勢(shì)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(guò)率指標(biāo)也就十分重要，是企業(yè)需要重點(diǎn)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(guò)率測(cè)試儀，基于壓差法的測(cè)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(guò)率、溶解度系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、滲透系數(shù)的測(cè)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(cè)試方法》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)質(zhì)子交換膜的“氣體透過(guò)率"和“氣體透過(guò)系數(shù)"指標(biāo)的測(cè)試要求，可專業(yè)用于檢測(cè)質(zhì)子交換膜的氣體透過(guò)性能，可檢測(cè)氫氣透過(guò)、氧氣透過(guò)等。
VAC-V2壓差法氣體滲透儀
二、力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試（拉伸強(qiáng)度/斷裂拉伸/剝離強(qiáng)度）
質(zhì)子交換膜力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)的好壞直接關(guān)系到材料本身耐機(jī)械損傷的能力，從而影響其機(jī)械穩(wěn)定性以及燃料電池堆的使用壽命。標(biāo)準(zhǔn)GBT 20042.3-2022對(duì)“拉伸強(qiáng)度"、“斷裂拉伸應(yīng)變"、“彈性模量"、“180°剝離強(qiáng)度"指標(biāo)檢測(cè)有明確的要求。
針對(duì)質(zhì)子交換膜的力學(xué)強(qiáng)度檢測(cè)，推薦使用Labthink蘭光自助研發(fā)的C610H和C610M型號(hào)的智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)完成試驗(yàn)。以C610H拉力機(jī)為例，該儀器是一款專業(yè)用于測(cè)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(yàn)機(jī)，采用0.5級(jí)高精度力值傳感器，一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)集成拉伸、剝離、撕裂、熱封、定伸抗拉、下壓等專業(yè)獨(dú)立的測(cè)試程序，為用戶提供多種試驗(yàn)項(xiàng)目選擇，能夠滿足多種測(cè)試需求。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求，C610H拉力機(jī)一臺(tái)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(qiáng)度檢測(cè)，同時(shí)，配置專業(yè)穿刺力測(cè)試夾具，可進(jìn)行膜材的抗穿刺性能測(cè)試。一機(jī)多用，高性價(jià)比。
C610H智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)
三、厚度測(cè)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?yàn)橘|(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(kuò)散到陽(yáng)極側(cè)是由兩側(cè)之間的含水量梯度驅(qū)動(dòng)的，厚度小則含水量梯度大，反向擴(kuò)散強(qiáng)，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(duì)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(cè)試，推薦選用Labthink蘭光研發(fā)的C640測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)量。C640是一款高精度、高重復(fù)性的機(jī)械接觸式精密測(cè)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(cè)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(shí)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(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試報(bào)告管理功能。
C640測(cè)厚儀
總 結(jié)
近年來(lái)，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(jí)，技術(shù)水平也隨之快速提高。產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，更進(jìn)一步促進(jìn)了行業(yè)的規(guī)范化、細(xì)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(guò)材料檢測(cè)技術(shù)提升和檢測(cè)儀器研發(fā)幫助客戶應(yīng)對(duì)包裝難題，助力相關(guān)產(chǎn)業(yè)的品質(zhì)安全。聚焦檢測(cè)，不斷探索，目前已擁有200余項(xiàng)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(cè)厚、沖擊、密封泄漏、頂空氣體分析、粘性、揉搓等性能測(cè)試。如需了解以上性能指標(biāo)的檢測(cè)儀器，您可登陸濟(jì)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(jìn)技術(shù)交流與合作！
