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2024/10/24
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氫燃料電池質子交換膜關鍵性能測試
氫燃料電池，是質子交換膜燃料電池（PEMFC）的一種類型，是用質子交換膜將陽極氫氣和陰極氧氣的化學能通過電化學反應，轉化為電能、熱能和其他反應產物的發(fā)電裝置，具有效率高、環(huán)境友好的特點。
膜電極是其核心部件，由質子交換膜、催化劑層和氣體擴散層組成，直接影響電池性能。在大規(guī)模商業(yè)化普及的趨勢下，需要降低生產成本，因此材料選擇與性能研究尤為重要。
1、透氣性
質子交換膜是氫燃料電池的重要部件，既提供氫質子的傳導通道，又作為燃料（氫氣）和氧化劑（氧氣）的阻隔屏障。研究證明，質子交換膜的氫氣透過率越高，電極輸出電動勢越低。到達陰極催化劑的氫氣遇氧產生的自由基會誘使質子膜的降解速度加快。
根據GB/T 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》規(guī)定，質子交換膜的透氣性采用目前普遍使用的壓差法測試方法，具有測試效率高、試驗氣體多樣的優(yōu)點。測試過程中，樣品將儀器測試腔密閉分隔為高壓腔和低壓腔，試驗氣體從高壓腔滲透擴散至低壓腔，通過監(jiān)測壓力變化識別氣體滲透達到穩(wěn)態(tài)，測試儀器自動計算樣品的氣體透過率和透過系數。
結合氫燃料電池的實際應用需求，Labthink危險氣體定制版壓差法氣體滲透儀的測試下限可達0.05cm3/(m2·24h·0.1MPa)，支持微量氣體透過率測試。針對高溫高濕測試需求，儀器可通過測試直接獲得5℃～95℃溫度下，不同試驗濕度條件的透氣率數據，還能借助Labthink數據擬合技術獲得材料在極(分隔)端溫度下的氣體透過情況。針對高壓測試需求，Labthink也開放了定制渠道，以滿足用戶的需求。
由于氫氣的不穩(wěn)定性和易燃易爆性，需要嚴格按照氣體特性控制整個測試環(huán)境，包括測試儀器內部的危險氣體含量，并加強試驗尾氣的處理。我們采用三重措施來保障測試過程的安全，該儀器目前已經通過歐洲TüV SüD安全認證。
氫能燃料電池質子交換膜壓差法氣體滲透儀，是一種高精度、高效率的測試設備，在燃料電池研發(fā)、生產和質量控制過程中具有廣泛應用。通過測量質子交換膜的透氣率，可以評估燃料電池的性能和耐久性，為燃料電池的進一步優(yōu)化和改進提供技術支持及重要依據。
2、拉伸性能
除了低透氣性，質子交換膜還需具備良好的拉伸性能，以保障燃料電池長時間安全工作。根據GB/T 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》規(guī)定，拉伸性能包括 “拉伸強度"、“彈性模量"、“斷裂拉伸應變"等指標，以此評估材料所能承受的最大強度、韌性和延展性。
該項目利用智能電子拉力試驗機，以50mm/min~200mm/min的速度測試橫向、縱向長條樣品斷裂時最大的負荷以及原始標距單位長度的增量，計算出拉伸強度、彈性模量和斷裂拉伸應變值。
3、180°剝離強度
由于質子交換膜質地較軟，在實際應用中需要以一定強度的粘合力復合在某種具有一定厚度和彈性的撓性基材上，以此為支撐和保護。兩種材料間的復合強度，無論過高或過低都會對其使用壽命產生影響。因此GB/T 20042.3-2022規(guī)定，采用180°剝離強度值來表征質子交換膜和基材的復合強度。
實際測試中，可以選擇智能電子拉力試驗機，也可以選擇專業(yè)的剝離試驗機進行測試。測試同樣采用長條試樣（15mm╳250mm），沿試樣方向將復合層與基材預先剝離50mm。將剝開部分分別裝夾在儀器的上下夾具中，以300mm/min的速度使上下夾具分離，通過記錄測試過程的剝離力，計算樣品的180°剝離強度。 由于質子交換膜和基材的復合強度較小，因此測試所用的智能電子拉力試驗機或者剝離試驗機建議選用小量程傳感器，比如5N、10N、30N，具體需要根據實際樣品情況進行選擇，以減少測試誤差。
4、厚度均勻性
質子交換膜的厚度直接影響其性能和壽命，因此需要精準的厚度數據作為研發(fā)參考，并確保膜材料具有良好的厚度均勻性。
根據GB/T 20042.3-2022規(guī)定，厚度均勻性測試選用具有代表性的、無折皺、缺陷、破損的樣品制為有效面積至少100cm2的圓形或者方形樣品。利用精度不低于0.1μm的接觸式測厚儀測試至少30個均勻分布點位的厚度值。連續(xù)測試3片樣品，自動測得樣品的平均厚度值，由此計算厚度極差、厚度相對偏差等值，來表征樣品的厚度均勻性。
需要重點注意的是，質子交換膜對壓力敏感度高，因此標準強調，為了避免測量頭接觸試樣導致試樣變形，測試過程中測量頭施加在樣品表面的強度在0.7 N/cm2 ~2 N/cm2。
當前，Labthink已與新能源行業(yè)眾多企事業(yè)單位以及科研院校攜手，積極發(fā)揮在儀器研發(fā)制造和測試領域的經驗優(yōu)勢，聚焦燃料電池產業(yè)，開展深入合作，共同推進新能源行業(yè)的快速創(chuàng)新發(fā)展。
