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摘要：质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种采用可传导离子的聚合膜作为电解质的燃料电池,因此也被称作聚合物电解质燃料电池（PEFC）、同体聚合物燃料电池（SPFC）或固体聚合物电解质燃料电池（SPEFC）。PEMFC因其高效、环保的特性,在新能源汽车、固定式电站等领域具有十分广阔的应用前景。而质子交换膜作为PEMFC的核心部件,其性能优劣直接关系到燃料电池的整体性能和效率,因此,研发企业及单位对其相关性能指标给予了重点关注。

关键词：质子交换膜燃料电池、质子交换膜、阻隔性能、气体透过率、氢气透过、厚度、透气率、剥离强度、断裂伸长率、拉伸强度、智能电子拉力试验机、测厚仪、压差法气体渗透仪

测试意义

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）是一种采用可传导离子的聚合膜作为电解质的燃料电池,因此也被称作聚合物电解质燃料电池（PEFC）、同体聚合物燃料电池（SPFC）或固体聚合物电解质燃料电池（SPEFC）。PEMFC具有高效的能量转换率,通常可以达到90%,远高于传统内燃机的能量转换效率。PEMFC因其高效、环保的特性,在新能源汽车、固定式电站等领域具有广阔的应用前景。然而,其制造成本和耐久性问题仍是制约其大规模商业化的主要因素。未来,随着技术的不断进步和成本的降低,PEMFC有望成为一种重要的清洁能源解决方案。

而质子交换膜作为PEMFC产品的核心部件,不仅具有阻隔作用,还具有传导质子的功能,其性能优劣直接关系到燃料电池的整体性能和效率。因此,研发企业及单位对其相关性能指标给予了重点关注。

相关行业标准

目前,国内针对"质子交换膜燃料电池"产品关键组件的质量检测出台了多项行业标准,例如《GBT 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》、《GBT 20042.7-2014 质子交换膜燃料电池 第7部分：炭纸特性测试方法》、《GB/T 20042.5-2009质子交换膜燃料电池　第5部分：膜电极测试方法》等等。

本文将主要围绕核心组件"质子交换膜",以GBT 20042.3-2022标准为例,为行业客户提供相应的检测服务与仪器解决方案。

一、质子交换膜气体透过率（透气率/氢气透过率）

质子交换膜作为PEMFC的核心部件之一,它能够将阴极和阳极分隔开,阻止燃料（氢气）和氧化剂（氧气）直接混合发生化学反应。该作用可以用气体透过率来评价,气体透过率越高,则膜的气体阻隔性能越差,氢气和氧气接触越多,就会使得电池两极电势差越低,电池的开路电压也就越低。所以,质子交换膜材料的气体透过率指标也就十分重要,是企业需要重点监控的性能之一。

Labthink自主研发生产的VAC-V2压差法气体渗透仪,是一款专业用于薄膜试样的气体透过率测试仪,仪器采用压差法测试原理,符合并满足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》标准中对质子交换膜的"气体透过率"和"气体透过系数"指标的测试要求,可专业用于检测质子交换膜的气体透过性能,通过个性化定制,可满足客户对材料进行易燃易爆气体如氢气的透过率测试。

二、 拉伸强度与断裂拉伸应变、180°剥离强度测试

质子交换膜力学强度指标的好坏直接关系到材料本身耐机械损伤的能力,从而影响其机械稳定性以及燃料电池堆的使用寿命。标准GBT 20042.3-2022对"拉伸强度"、"断裂拉伸应变"、"弹性模量"、"180°剥离强度"指标检测有明确的要求。

针对质子交换膜的力学强度检测,推荐使用Labthink兰光研发生产的C610M智能电子拉力试验机完成试验。该仪器是一款专业用于测试各种软质材料拉伸性能等力学特性的电子拉力试验机,配置优于0.5级的高精度力值传感器,一台试验机集成拉伸、剥离、撕裂、热封、定伸抗拉、下压等专业独立的测试程序,为用户提供多种试验项目选择,能够满足多种测试需求。结合标准测试要求,C610M拉力试验机一台设备就可以完成质子交换膜的拉伸高度、断裂拉伸、180°剥离强度检测,同时,配置专业穿刺力测试夹具,可进行膜材的抗穿刺性能测试。一机多用,超(分隔)高性价比。

三、 厚度测试

质子交换膜厚度与燃料电池安全性和性能密切相关,这是因为质子交换膜的质子传导阻力是燃料电池输出压降的主要组成之一,厚度大则表示传导阻力大性能低,厚度小则容易压伤刺穿；另一方面质子交换膜中的结合水从阴极侧反向扩散到阳极侧是由两侧之间的含水量梯度驱动的,厚度小则含水量梯度大,反向扩散强,从而允许更多的结合水电迁移,提高活性面积内的电流密度。由此可见,企业对质子交换膜厚度参数的确定与监控尤为重要。

质子交换膜的厚度均匀性测试,推荐使用Labthink兰光C640测厚仪进行测量。C640是一款高精度、高重复性的机械接触式精密测厚仪,专业适用于量程范围内的薄膜、薄片、纸张、瓦楞纸板、纺织材料、非织造布、固体绝缘材料等各种材料的厚度精密测量。仪器搭载了Labthink新一代版控制分析软件,操作友好、数据处理智能；同时支持Labthink特(分隔)有的DataShield数据盾系统（可选配置）,为用户提供极为安全可靠的测试数据和测试报告管理功能。

结论

近年来,新能源燃料电池行业的发展持续加速,燃料电池电堆及系统正向大功率快速迭代升级,技术水平也随之快速提高。产业的蓬勃发展,更进一步促进了行业的规范化、细节化、具体化,关注燃料电池控制技术的研究与把控。在研发过程中,科研人员会通过优化材料选择、改进制备工艺、调整膜结构等方法来提升质子交换膜的性能。除上述主要性能指标外,质子交换膜的水分传导率、溶胀度、电渗系数等也是研发企业及单位关注的重点。