燃料電池堆關鍵部件質子交換膜的性能測試方案

2023年02月14日 14:37:15人氣：260來源：濟南蘭光機電技術有限公司

　　摘要：質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡稱PEMFC)是用質子交換膜作為電解質的燃料電池，是將外部供應的燃料(氫氣)和空氣中的氧化劑(氧氣)的化學能通過電化學反應直接轉化為電能、熱能和其他反應產物的發電裝置。由于車用質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對質子交換膜燃料電池堆安全性提出了詳細要求和設計提示。質子交換膜作為PEMFC的核心部件之一，其各項性能指標測試也就成為了生產企業對產品質量管控的重點關注對象。

　　關鍵詞：燃料電池堆、質子交換膜、燃料電池、氫氣、電池、氧氣、電解質、厚度、剝離強度、拉伸、透氣率、氣體透過率

　　概　　述

　　質子交換膜燃料電池的主要結構包括質子交換膜、兩側的多孔電極催化劑層和氣體擴散層，以及外側構成氣體傳輸通道和電子導體的極板。其中，質子交換膜是燃料電池的核心部件之一。質子交換膜(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，設計用于質子傳導隔絕氧或氫。能傳遞質子但對電子絕緣，起到傳導氫離子、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、穩定性和耐久性，必須具備以下六種基本性能：質子導電率、穩定性、透氣性、吸水性、水電滲透性以及力學強度。

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

　　一、氣體阻隔性能測試（氣體透過率/氣體透過系數/透氣率）

　　質子交換膜作為PEMFC的核心部件之一，它能夠將陰極和陽極分隔開，阻止燃料(氫氣)和氧化劑(氧氣)直接混合發生化學反應。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，質子交換膜材料的氣體透過率指標也就十分重要，是企業需要重點監控的性能之一。

　　Labthink自主研發生產的VAC-V2壓差法氣體滲透儀，是一款專業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、擴散系數、滲透系數的測定。儀器符合并滿足GBT 20042.3-2022《質子交換膜燃料電池第3部分：質子交換膜測試方法》標準中對質子交換膜的“氣體透過率”和“氣體透過系數”指標的測試要求，可專業用于檢測質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、力學強度測試（拉伸強度/斷裂拉伸/剝離強度）

　　質子交換膜力學強度指標的好壞直接關系到材料本身耐機械損傷的能力，從而影響其機械穩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”、“斷裂拉伸應變”、“彈性模量”、“180°剝離強度”指標檢測有明確的要求。

　　針對質子交換膜的力學強度檢測，推薦使用Labthink蘭光自助研發的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，該儀器是一款專業用于測試各種軟質材料拉伸性能等力學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。結合標準測試要求，C610H拉力機一臺設備就可以完成質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

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

　　質子交換膜的厚度均勻性測試，推薦選用Labthink蘭光研發的C640測厚儀進行測量。C640是一款高精度、高重復性的機械接觸式精密測厚儀，專業適用于量程范圍內的薄膜、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、數據處理智能；同時支持Labthink*的DataShield數據盾系統(可選配置)，為用戶提供極為安全可靠的測試數據和測試報告管理功能。

C640測厚儀

　　總　　結

　　近年來，新能源燃料電池行業的發展持續加速，燃料電池電堆及系統正向大功率快速迭代升級，技術水平也隨之快速提高。產業的蓬勃發展，更進一步促進了行業的規范化、細節化、具體化，關注燃料電池控制技術的研究與把控。

　　Labthink蘭光，專注于通過材料檢測技術提升和檢測儀器研發幫助客戶應對包裝難題，助力相關產業的品質安全。聚焦檢測，不斷探索，目前已擁有200余項技術，取得了“自主核心傳感器技術”重大突破，形成以C系列為核心的產品群，覆蓋包裝及相關材料透氧、透氣、透濕、力學、熱封、熱粘、熱縮、摩擦系數、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站查看或致電咨詢。愈了解，愈信任！Labthink蘭光期待與行業中的企事業單位增進技術交流與合作！

關鍵詞：試驗機拉力試驗機電子拉力試驗機

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