燃料电池堆关键部件质子交换膜的性能测试方案_质子_交换_气体

摘要：质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）是用质子交换膜作为电解质的燃料电池，是将外部供应的燃料（氢气）和空气中的氧化剂（氧气）的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其他反应产物的发电装置。由于车用质子交换膜燃料电池集中了氢、热、电、压力等所有危险因素，因此，标准GB/T 20042.2-2008对质子交换膜燃料电池堆安全性提出了详细要求和设计提示。质子交换膜作为PEMFC的核心部件之一，其各项性能指标测试也就成为了生产企业对产品质量管控的重点关注对象。

关键词：燃料电池堆、质子交换膜、燃料电池、氢气、电池、氧气、电解质、厚度、剥离强度、拉伸、透气率、气体透过率

概 述

质子交换膜燃料电池的主要结构包括质子交换膜、两侧的多孔电极催化剂层和气体扩散层，以及外侧构成气体传输通道和电子导体的极板。其中，质子交换膜是燃料电池的核心部件之一。质子交换膜（proton exchange membrane，缩写为PEM）是一种离子聚合物的半透膜，厚度一般仅为10μm左右，设计用于质子传导隔绝氧或氢。能传递质子但对电子绝缘，起到传导氢离子、隔绝燃料和氧化剂、阻断电子的作用。因此，PEM决定了燃料电池的性能、稳定性和耐久性，必须具备以下六种基本性能：质子导电率、稳定性、透气性、吸水性、水电渗透性以及力学强度。

目前，国内有关质子交换膜性能测试的标准有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》。此标准针对质子交换膜的“拉伸强度”、“180°剥离强度”、“气体透过率”、“气体透过系数”、“厚度”等性能指标检测，提出了明确的技术要求与测试方法。Labthink兰光，一直专注于检测技术提升与检测仪器研发，助力各行业客户解决产品质量难题。参考以上标准，Labthink兰光借此文为新能源行业客户提供燃料电池质子交换膜的产品性能测试解决方案，以期与行业中的企事业单位增进技术交流与合作。

一、气体阻隔性能测试（气体透过率/气体透过系数/透气率）

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(Open Circuit Voltage，OCV)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。

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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，基于压差法的测试原理，适用于塑料薄膜、复合膜、高阻隔材料、片材、金属箔片在各种温度下的气体透过率、溶解度系数、扩散系数、渗透系数的测定。仪器符合并满足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》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，可检测氢气透过、氧气透过等。

VAC-V2压差法气体渗透仪

二、力学强度测试（拉伸强度/断裂拉伸/剥离强度）

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兰光自助研发的C610H和C610M型号的智能电子拉力试验机完成试验。以C610H拉力机为例，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，采用0.5级高精度力值传感器，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，C610H拉力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，高性价比。

C610H智能电子拉力试验机

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，推荐选用Labthink兰光研发的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。

C640测厚仪

总 结

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。

Labthink兰光，专注于通过材料检测技术提升和检测仪器研发帮助客户应对包装难题，助力相关产业的品质安全。聚焦检测，不断探索，目前已拥有200余项技术，取得了“自主核心传感器技术”重大突破，形成以C系列为核心的产品群，覆盖包装及相关材料透氧、透气、透湿、力学、热封、热粘、热缩、摩擦系数、测厚、冲击、密封泄漏、顶空气体分析、粘性、揉搓等性能测试。