趙鑫 楊沄芃 王曉兵

摘 要：隨著燃料電池汽車的商業(yè)化發(fā)展，對燃料電池質子交換膜性能的要求也在逐漸提高。因此，燃料電池質子交換膜的檢測能力也要相應地有所提升，以滿足產品的產業(yè)發(fā)展需求。本文聚焦燃料電池質子交換膜性能的檢測能力，主要介紹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》中的測試項目以及測試方法，對比分析GB/T 20042.3-2022與GB/T 20042.3-2009兩個版本標準中內容的變化。

關鍵詞：燃料電池，質子交換膜，測試標準

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.13.024

Brief Analysis of Main Contents of GB/T 20042.3-2022

Zhao Xin1，2* Yang Yun-peng1，2 Wang Xiao-bing1，2

（1. CATARC New Energy Vehicle Test Center （Tianjin） Co.， Ltd.； 2. China Automotive Technology and Research Center Co.Ltd， Tianjin）

Abstract： With the commercialization of fuel cell vehicles， the requirements for the performance of proton exchange membrane for fuel cell are gradually increasing. Therefore， the text capabilities of proton exchange membrane for fuel cell need to be correspondingly improved to meet the industrial development needs. The test capabilities for the performance of proton exchange membrane for fuel cell were focused on in this paper. The test items and methods of GB/T 20042.3-2022 “proton exchange membrane fuel cell - part 3： testing method for proton exchange membrane”were mainly introduced. The content changes between GB/T 2042.3-2022 and GB/T 20042.3-2009 were analyzed.

Keywords： Fuel cell， Proton exchange membrane， Test standard

0 引 言

燃料電池電動汽車作為解決全球能源和環(huán)境問題的理想方案之一，是現代社會的研究焦點。隨著燃料電池電動汽車的商業(yè)化發(fā)展，對質子交換膜性能的要求也逐漸提高[1-3]。2022年發(fā)布的新版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》[4]代替了2009版[5]，修改了質子傳導率、離子交換當量、拉伸強度、吸水率、溶脹率的術語和定義表述以及質子傳導率和透氣率的測試方法，調整了部分測試中質子交換膜狀態(tài)調節(jié)溫度、測試環(huán)境溫度以及卡尺精度。同時，增加了彈性模量、斷裂拉伸應變、180°剝離強度、氣體透過率、氣體透過系數的術語和定義，增加了斷裂伸長率、彈性模量指標以及180°剝離強度測試。此外，對溶脹率區(qū)分了橫向、縱向和厚度方向。

1 術語和定義

新版標準將舊版標準中的質子傳導率、離子交換當量、拉伸強度、吸水率、溶脹率的術語和定義表述進行了修改，并增加了彈性模量、斷裂拉伸應變、180°剝離強度、氣體透過率、氣體透過系數的術語和定義。相比于舊版標準，新版標準的術語和定義表述涵蓋更加全面，解釋更加詳細，更便于理解與應用。

2 厚度均勻性

對于質子交換膜，厚度均勻性直接反應了產品的生產加工工藝等技術水平，對產品的性能一致性、可靠性以及穩(wěn)定性影響較大。新版標準調整了卡尺精度，由2009版的“0.01 mm”調整為“0.02 mm”，卡尺主要用來測量質子交換膜的長和寬，不需要很高的精度，基于產業(yè)化需求，在保證測量精度的同時，降低不必要的精度可以節(jié)約成本。同時，調整了狀態(tài)調節(jié)溫度以及測試環(huán)境溫度，由2009版的“25℃±2℃”調整為2022版的“23℃±2℃”，更加符合產業(yè)化的固有經驗。對比新舊兩版標準中的要求，2009版中的“每100 cm2樣品的測試點不少于9個”在新版標準中改為了“每100 cm2樣品的測試點不少于30個”，增加了測試點數，提高了測試結果的準確性。

3 質子傳導率

質子傳導率是評價質子交換膜工作性能的重要指標之一，直接反映了質子在膜內的遷移能力。新版標準將卡尺精度由2009版的“0.01 mm”調整為“0.02 mm”，卡尺主要用來測量質子交換膜的長和寬，膜的長和寬主要用于與電導率測試裝置大小匹配，不需要很高的精度。同時，調整了狀態(tài)調節(jié)溫度以及測試環(huán)境溫度，由2009版的“25℃±2℃”調整為2022版的“23℃±2℃”，更加符合產業(yè)化的固有經驗。舊版標準規(guī)定“將電導率測量池置于溫度為25℃±2℃，相對濕度為50%±5%的恒溫恒濕環(huán)境中，在頻率范圍為（1～2×10⁶）Hz、擾動電壓10 mV條件下用電化學阻抗測試儀測得樣品的阻抗譜圖”。新版標準對測試條件進行了修改，規(guī)定“設定溫度、濕度等測試條件，測試條件如表1所示（其他測試條件也可由測試委托方與測試方協商確定）。待測試腔內達到所設定溫度、濕度并穩(wěn)定30min后，在頻率范圍為1～2×10⁶Hz、擾動電壓10mV條件下用電化學阻抗測試儀測得樣品的阻抗譜圖”。新版標準基于產業(yè)化需求將測試條件調整為常溫低濕、常溫常濕、常溫高濕、高溫低濕、高溫常濕、高溫高濕六個工況，技術要求及測試結果范圍更加全面，便于考察不同溫濕度條件下的質子交換膜的質子傳導能力，更符合當前產業(yè)發(fā)展需求。

4 離子交換當量

離子交換當量的數值大小反映了質子交換膜內的酸濃度，直接影響了產品傳輸質子的能力，與燃料電池的性能直接相關。新版標準中將真空烘干條件由2009版的“真空度為0.1MPa”調整為“絕對壓力不高于20 kPa”，提高真空度有利于提高烘干效率，更符合當前技術要求。同時，新版標準還增加了對真空烘干后的樣品重量復測的要求，規(guī)定“真空干燥8h，移至干燥器中冷卻至室溫后，快速稱量（30s內完成），至恒重，前后兩次稱量之差小于0.2mg”，更好地保證了樣品的干燥狀態(tài)，提高了測試結果的準確性。

5 透氣率測試

透氣率定義為在恒定溫度和單位壓力差下，穩(wěn)定透過時，單位時間內透過試樣單位面積的氣體的體積，主要用于考察氣體在質子交換膜中的滲透性能。嚴格限制質子交換膜的透氣率上限，避免微小穿孔竄漏量過大，是避免熱失控危險的重要保障。新版標準使用壓差法進行透氣率測試，并增加了氣體透過系數指標。壓差法透氣率測試對于測試氣體沒有選擇性，對不同的測試氣體的通用性非常好。隨著真空規(guī)檢測技術的進步以及真空技術在設備設計上的應用，設備的檢測精度以及測試數據的重復性大大提高，因此許多科研檢測機構均使用該方法進行透氣率測試。舊版標準采用的試等壓法透氣率測試方法，所使用的傳感器屬于消耗型元件，設備標定所得的校正因子并非長期有效，需要根據要求進行周期性設備標定，當傳感器的損耗達到一定程度時必須更換，測試成本高，結果準確性較壓差法低。因此，新版標準更符合當前的技術要求。

6 拉伸性能

拉伸性能的好壞主要取決于燃料電池質子交換膜的自身強度，反映了燃料電池質子交換膜產品的生產制造加工工藝特點。由于質子交換膜要求具有一定的機械強度，以保證燃料電池在組裝和使用時不會破裂，保障膜的使用安全和使用壽命，因此拉伸性能是其核心性能指標之一。新版標準調整了卡尺精度，由2009版的“0.01mm”調整為“0.02mm”，降低了不必要的精度，節(jié)約了測試成本。調整了狀態(tài)調節(jié)溫度以及測試環(huán)境溫度，由2009版的“25℃±2℃”調整為2022版的“23℃±2℃”，更加符合產業(yè)化的固有經驗。在新標準中特別新增了斷裂伸長率、彈性模量指標。斷裂拉伸應變是指試樣發(fā)生斷裂時，原始標距單位長度的增量，是衡量膜材料極限能力的重要性能指標，其數值越大表示材料韌性越高。彈性模量是指質子交換膜中，應力應變曲線上初始直線部分的斜率，是衡量膜材料性能參數的重要量化指標，其數值越大表示材料越不容易變形。舊版標準僅從拉伸強度做出規(guī)定。相比于舊版，新版標準充分考慮了質子交換膜的機械強度、韌性以及形變等綜合力學性能，技術要求涵蓋更加全面。

7 180°剝離強度測試

對于質子交換膜，基于下游電極噴涂工藝特點，剝離強度決定了兩種或多種已粘合在一起的材料的粘合強度。新版標準新增了180°剝離強度測試的要求，規(guī)定剝離強度為在剝離角度為180°的剝離條件下，一定寬度測試樣條以一定速度連續(xù)剝離時所需要的載荷。180°剝離強度測試主要為拉伸方向的恒速試驗。新版標準豐富了質子交換膜的測試指標。

8 溶脹率

溶脹率是指在給定溫度和濕度下相對于干膜在橫向、縱向和厚度方向的尺寸變化，反映了質子交換膜的尺寸穩(wěn)定性。新版標準調整了卡尺精度，由2009版的“0.01mm”調整為“0.02mm”，降低了不必要的精度，節(jié)約測試成本。對于各向同性的均質膜來說，各個方向的尺寸變化率是相同的，采用2009版中的線性變化率、面積變化率、體積變化率中的任意一個均可以作為均質膜的溶脹率；但是對于各向異性的復合增強膜來說，橫向、縱向和厚度方向三個方向的尺寸變化率因增強材料的存在而表現出很大差異性，用2009版中的指標無法全面準確地描述其溶脹率?；诜显鰪娦唾|子交換膜的各向性能差異，新版標準提出了分類的測試方法，對溶脹率區(qū)分了橫向、縱向和厚度方向，規(guī)定了新的樣品制備方式“沿著平行于膜卷軸方向截取長×寬=40mm×20mm的樣條作為橫向尺寸變化率的測試樣條（長邊平行于膜卷軸方向）；沿著垂直于膜卷軸方向截取長×寬=40mm×20mm的樣條作為縱向尺寸變化率的測試樣條（長邊垂直于膜卷軸方向）”。新版標準增加了樣品狀態(tài)調節(jié)的要求，規(guī)定“樣品測試前應在溫度23℃±2℃，相對濕度50%±5%的恒溫恒濕環(huán)境條件，至少放置4h”，統一了樣品測試前的狀態(tài)，提高了橫向測試的準確性。新版標準還增加了尺寸測量環(huán)境條件的要求，規(guī)定“在溫度23℃±2℃，相對濕度50%±5%的恒溫恒濕條件下，用卡尺測量樣品的初始長度L0，用測厚儀測量樣品的厚度d0”，統一了樣品測試環(huán)境條件，提高了橫向測試的準確性。對比新舊兩版標準的測試方法要求，2009版的“將樣品放入溫度分別是25℃±2℃和沸水溫度100℃±2℃恒溫水浴中，保持時間至少為30min”改為了新版標準“將樣品放入溫度80℃±2℃的恒溫水浴中，保持時間至少為2h。測試溫度也可由委托方和測試方協調確定”，更符合當前的產業(yè)技術要求。

9 吸水率

吸水率是指在給定溫度下單位質量干膜的吸水量，主要用于反映質子交換膜的吸水能力。新版標準調整了浸水溫度，由2009版的“25℃±2℃”調整為2022版的“23℃±2℃”，更加符合產業(yè)化的固有經驗。新版標準給出了具體的樣品制備尺寸，由舊版標準中的“截取一定尺寸的放行或圓形送試材料作為樣品”改為新版標準中的“截取邊長50mm±1mm的方形或直徑為50mm±1mm的圓形試樣作為待測樣品，使得操作方法更為具體。新版標準調整了吸水率測試方法。2009版標準規(guī)定“將樣品放入給定溫度的恒溫水浴中，保持時間至少為24h”。新版標準調整為“a）23℃下的吸水率測試：將樣品放入23℃±2℃的恒溫水浴中，保持時間至少為2h”以及“b）將樣品放入100℃±2℃沸騰蒸餾水中浸泡1h后，將樣品快速移入室溫蒸餾水中冷卻 15min±1min”。新版標準將吸水率測試分為室溫測試和高溫測試兩種，既滿足了產業(yè)技術要求，又增加了測試的全面性，并且通過試驗數據證明新版標準中的水浴時長可以滿足試驗要求，縮短測試時長，有利于節(jié)約成本。

10 結 論

本文介紹了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》中的主要檢測項目，對比分析了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》和GB/T 20042.3-2009《質子交換膜燃料電池第3部分：質子交換膜測試方法》新舊兩版標準中內容的變化，列舉了在新版標準中增加、調整的內容，可以為燃料電池汽車的檢測提供參考。

參考文獻

[1]高敏，余偉明，王小舟，等.PFSA/PVDF同軸核殼纖維質子交換膜的性能研究[J].膜科學與技術，2022，42（6）：94-100+109.

[2]Yu W， Ge Z， Zhang K， et al. Development of a HighPerformance Proton Exchange Membrane： From Structural Optimization to Quantity Production [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2022， 61（12）： 4329-4338.

[3]Simari C， M Prejanò， Lufrano E， et al. Exploring the Structure–Performance Relationship of Sulfonated Polysulfone Proton Exchange Membrane by a Combined Computational and Experimental Approach [J]. Polymers， 2021， 13（6）： 959.

[4]質子交換膜燃料電池第3部分：質子交換膜測試方法： GB/T 20042.3-2022[S].

[5]質子交換膜燃料電池第3部分：質子交換膜測試方法： GB/T 20042.3-2009[S].

作者簡介

趙鑫，通信作者，高級工程師，主要從事燃料電池汽車及其關鍵零部件的測試評價工作。

楊沄芃，工程師，主要從事燃料電池汽車及其關鍵零部件的測試評價工作。

王曉兵，工程師，主要從事燃料電池汽車及其關鍵零部件的測試評價工作。

（責任編輯：張佩玉）