質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)使用可再生的能源資源-氫氣，是一種綠色、清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的一種新能源動(dòng)力技術(shù)，在航空航天、汽車和能源等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。質(zhì)子交換膜(PEM)是質(zhì)子交換膜燃料電池中最重要的部件之一，隨著燃料電池的不斷發(fā)展，對(duì)質(zhì)子交換膜性能的要求也逐漸升高，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(cè)試方法》，質(zhì)子交換膜需要開(kāi)展的測(cè)試項(xiàng)目包括透氣率、拉伸性能、180°剝離強(qiáng)度、厚度、質(zhì)子傳導(dǎo)率、離子交換當(dāng)量等測(cè)試項(xiàng)目。本文聚焦燃料電池質(zhì)子交換膜的透氣率測(cè)試，對(duì)其測(cè)試方法和相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了介紹。
關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜;PEM;透氣率測(cè)試
引言：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種不經(jīng)過(guò)燃燒，直接將燃料氫與氧反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電裝置，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜的功能是傳導(dǎo)質(zhì)子(H+)，同時(shí)將陽(yáng)極的燃料與陰極的氧化劑隔離開(kāi)。在質(zhì)子交換膜的高分子結(jié)構(gòu)中，含有多種離子基團(tuán)，只允許氫離子H+穿過(guò)，其它離子、氣體及液體均不能通過(guò)。具有能量轉(zhuǎn)化效率高、發(fā)電時(shí)不產(chǎn)生污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、無(wú)污染等特點(diǎn)。
PEMFC 工作原理
質(zhì)子交換膜透氣率測(cè)試方法
透氣率的定義為恒定溫度和單位壓差下，穩(wěn)定透過(guò)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)試樣單位面積的氣體的體積，主要用于考察氣體在質(zhì)子交換膜中的滲透性能。嚴(yán)格限制質(zhì)子交換膜的透氣率上限，避免小穿孔竄漏量過(guò)大，是避免熱失控危險(xiǎn)的重要保證。GB/T 20042.3-2022規(guī)定了使用壓差法進(jìn)行質(zhì)子交換膜的透氣率測(cè)試。壓差法透氣率測(cè)試對(duì)于測(cè)試氣體沒(méi)有選擇性，對(duì)不同測(cè)試氣體有著很好的通用性。隨著檢測(cè)儀器技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備的檢測(cè)精度和測(cè)試數(shù)據(jù)的重復(fù)性具有很好的保證。
測(cè)試儀器
我司N530 2.0 氣體透過(guò)率測(cè)定儀基于壓差法原理設(shè)計(jì)、制造，測(cè)試過(guò)程中將處理好的樣品放于儀器的上下腔之間，將儀器的高壓腔和低壓腔分離，利用真空泵對(duì)整個(gè)氣路系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，高壓腔和低壓腔同時(shí)抽真空至10Pa以下。然后往上腔加入一個(gè)大氣壓的實(shí)驗(yàn)氣體使上下腔之間形成一個(gè)恒定的壓差。在壓力梯度的作用下，氣體通過(guò)測(cè)試樣品從高壓腔滲透到低壓腔，儀器通過(guò)監(jiān)測(cè)下腔的壓力變化可自動(dòng)計(jì)算出試樣的氣體透過(guò)率、氣體透過(guò)系數(shù)等阻隔性能參數(shù)。
N530 2.0 氣體透過(guò)率測(cè)定儀
N530 2.0 氣體透過(guò)率測(cè)定儀配備 3 個(gè)腔體，每個(gè)腔體配置獨(dú)立的傳感器和溫度控制單元，支持三個(gè)相同或不同試樣同步測(cè)試，運(yùn)行獨(dú)立，數(shù)據(jù)獨(dú)立，儀器全自動(dòng)操作，一鍵測(cè)試，自動(dòng)判斷，自動(dòng)停機(jī)，測(cè)試效率高。采用自動(dòng)保壓差技術(shù)，自動(dòng)保持試樣兩側(cè)的壓力差(保壓壓差可任意調(diào)節(jié))，內(nèi)置高精度壓力傳感器，分辨率達(dá) 0.01 Pa，穩(wěn)定性好，故障率低；采用真空泵，極限壓可達(dá) 0.1 Pa，抽真空效率高、噪音低；同時(shí)采用全新氣動(dòng)氣路控制系統(tǒng)，自動(dòng)夾具一鍵式鎖緊試樣，便捷省力，密封性能優(yōu)秀?？蓽y(cè)試O2、CO2、N2、H2等氣體透過(guò)率。廣州標(biāo)際提供定制服務(wù)，滿足客戶對(duì)測(cè)試氣體、壓力、溫度、安全性等方面的不同要求。
總結(jié)與展望
質(zhì)子交換膜燃料電池作為一種將燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其關(guān)鍵零部件的性能直接關(guān)系到電池的使用穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)燃料電池堆的整體性能起著決定性的影響，因此通過(guò)利用壓差法氣體透過(guò)率測(cè)定儀來(lái)測(cè)定質(zhì)子交換膜的透氣率，對(duì)于把控燃料電池的質(zhì)量以及工藝的改進(jìn)、優(yōu)化具有重要的意義。
