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2024/10/24
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氫燃料電池質(zhì)子交換膜關(guān)鍵性能測試
氫燃料電池，是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的一種類型，是用質(zhì)子交換膜將陽極氫氣和陰極氧氣的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為電能、熱能和其他反應(yīng)產(chǎn)物的發(fā)電裝置，具有效率高、環(huán)境友好的特點(diǎn)。
膜電極是其核心部件，由質(zhì)子交換膜、催化劑層和氣體擴(kuò)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(chǎn)成本，因此材料選擇與性能研究尤為重要。
1、透氣性
質(zhì)子交換膜是氫燃料電池的重要部件，既提供氫質(zhì)子的傳導(dǎo)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(zhì)子交換膜的氫氣透過率越高，電極輸出電動勢越低。到達(dá)陰極催化劑的氫氣遇氧產(chǎn)生的自由基會誘使質(zhì)子膜的降解速度加快。
根據(jù)GB/T 20042.3-2022《質(zhì)子交換膜燃料電池 第3部分：質(zhì)子交換膜測試方法》規(guī)定，質(zhì)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(yàn)氣體多樣的優(yōu)點(diǎn)。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(yàn)氣體從高壓腔滲透擴(kuò)散至低壓腔，通過監(jiān)測壓力變化識別氣體滲透達(dá)到穩(wěn)態(tài)，測試儀器自動計(jì)算樣品的氣體透過率和透過系數(shù)。
結(jié)合氫燃料電池的實(shí)際應(yīng)用需求，Labthink危險(xiǎn)氣體定制版壓差法氣體滲透儀的測試下限可達(dá)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(yàn)濕度條件的透氣率數(shù)據(jù)，還能借助Labthink數(shù)據(jù)擬合技術(shù)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(yán)格按照氣體特性控制整個測試環(huán)境，包括測試儀器內(nèi)部的危險(xiǎn)氣體含量，并加強(qiáng)試驗(yàn)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(jīng)通過歐洲TüV SüD安全認(rèn)證。
氫能燃料電池質(zhì)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(shè)備，在燃料電池研發(fā)、生產(chǎn)和質(zhì)量控制過程中具有廣泛應(yīng)用。通過測量質(zhì)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(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)提供技術(shù)支持及重要依據(jù)。
2、拉伸性能
除了低透氣性，質(zhì)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(jù)GB/T 20042.3-2022《質(zhì)子交換膜燃料電池 第3部分：質(zhì)子交換膜測試方法》規(guī)定，拉伸性能包括 “拉伸強(qiáng)度"、“彈性模量"、“斷裂拉伸應(yīng)變"等指標(biāo)，以此評估材料所能承受的最大強(qiáng)度、韌性和延展性。
該項(xiàng)目利用智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)，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(fù)荷以及原始標(biāo)距單位長度的增量，計(jì)算出拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂拉伸應(yīng)變值。
3、180°剝離強(qiáng)度
由于質(zhì)子交換膜質(zhì)地較軟，在實(shí)際應(yīng)用中需要以一定強(qiáng)度的粘合力復(fù)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(hù)。兩種材料間的復(fù)合強(qiáng)度，無論過高或過低都會對其使用壽命產(chǎn)生影響。因此GB/T 20042.3-2022規(guī)定，采用180°剝離強(qiáng)度值來表征質(zhì)子交換膜和基材的復(fù)合強(qiáng)度。
實(shí)際測試中，可以選擇智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)，也可以選擇專業(yè)的剝離試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試。測試同樣采用長條試樣（15mm╳250mm），沿試樣方向?qū)?fù)合層與基材預(yù)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(jì)算樣品的180°剝離強(qiáng)度。 由于質(zhì)子交換膜和基材的復(fù)合強(qiáng)度較小，因此測試所用的智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)或者剝離試驗(yàn)機(jī)建議選用小量程傳感器，比如5N、10N、30N，具體需要根據(jù)實(shí)際樣品情況進(jìn)行選擇，以減少測試誤差。
4、厚度均勻性
質(zhì)子交換膜的厚度直接影響其性能和壽命，因此需要精準(zhǔn)的厚度數(shù)據(jù)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(jù)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(diǎn)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(jì)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(diǎn)注意的是，質(zhì)子交換膜對壓力敏感度高，因此標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)，為了避免測量頭接觸試樣導(dǎo)致試樣變形，測試過程中測量頭施加在樣品表面的強(qiáng)度在0.7 N/cm2 ~2 N/cm2。
當(dāng)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(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢，聚焦燃料電池產(chǎn)業(yè)，開展深入合作，共同推進(jìn)新能源行業(yè)的快速創(chuàng)新發(fā)展。
