质子交换膜燃料电池堆关键部件的性能测试解析

燃料电池作为一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，其理论热效率高达近100%，实际转换效率也可达50%~60%，且其产物仅有水，因此其能量转化效率高、功率密度高、噪音低以及零排放等方面具有不可比拟的优势。被“时代周刊”列为改变未来世界的十大新科技之一。
氢燃料电池堆是整个燃料电池产业链的核心部分，而氢燃料电池堆的关键零部件的性能直接关系到电池堆的使用可靠性，单体零部件的性能对燃料电池堆的整体性能起着决定性的影响，因此电池堆关键零部件的性能成为电池堆生产商选材必须要考虑的问题，因此在电堆集成前需要对各个部件的工作稳定性进行测试。本文梳理了质子交换膜燃料电池的关键零部件的典型测试要求，包括质子交换膜、电催化剂、膜电极、双极板、扩散层等。

1  质子交换膜
质子交换膜是电堆的核心组件，以聚合物膜作为电解质，其性能直接影响燃料电池的性能。 质子交换膜主要作用：一方面为电解质提供氢离子通道，一方面作为隔膜隔离两级反应气体，此外还需要对催化剂层起到支撑作用。

测试标准依据GB/T 20042.3-2009《质子交换膜燃料电池 第3部分：质子交换膜测试方法》。主要测试项目包括：厚度均匀性、透气率质子交换传导率、离子交换当量、拉伸性能、吸水率和溶胀率。
以测试项目中的力学性能试验-拉伸强度测试为例，需要采用万能试验机测量材料在拉伸过程中承受的最大拉伸应力，以MPa表示。材料的拉伸强度作为一项重要的力学性能，其性能直接关系到材料使用过程中的可靠性，对于拉伸强度较小的材料，会因使用过程中拉伸外力造成材料断裂现象引起材料失效。试验样品：哑铃型或长条形，每方向3根；在温度25℃±2℃，相对湿度50%±5%的条件下至少处理4h；试验参数：50-200mm/min。


图1 万能试验机


a-脆性材料，b和c-有屈服点的韧性材料，d-无屈服点的韧性材料
图2 典型拉伸应力-应变曲线

2  电催化剂

电催化剂使电极、电解质界面上的电荷转移加速反应的一种催化剂，催化剂是质子交换膜燃料电池膜电极（MEA）的关键材料之一，决定了电池的放电性能和寿命。

电催化剂测试标准依据GB/T 20042.4-200《质子交换膜燃料电池 第4部分：电催化剂测试方法》。主要测试项目包括：Pt含量测试、电化学活性面积、比表面积、孔容、孔径分布、形貌及粒径分布、催化剂密度等。


图3 气相色谱仪





3  膜电极

膜电极是燃料电池堆的核心零部件，是燃料电池发生电化学反应的场所，其性能直接决定着燃料电池的发电能力及寿命。

膜电极测试标准依据GB/T 20042.5-2009《质子交换膜燃料电池 第5部分：膜电极测试方法》。主要测试项目包括：厚度均匀性、Pt担载量、单电池极化曲线、渗氢电流密度、活化极化过电位和欧姆极化过电位。

其中极化曲线测试是燃料电池测试中最常采用的性能评价测试方法，反映的是燃料电池膜电极在不同电流密度下的电位。


图4 典型燃料电池极化测试曲线

4  双极板

双极板是将质子交换膜燃料电池串联起来组装成电堆的关键部件，双极板用于分隔氢气与氧气并收集电流，双极板两侧分别与阳极和阴极的膜电极接触，并支撑其他部件，其质量直接影响燃料电池电堆的输出功率和使用寿命。双极板原材料主要包括：石墨、金属材料、复合材料。测试标准依据GB/T 20042.6-2011《质子交换膜燃料电池 第6部分：双极板特性测试方法》。主要测试项目包括：气密性、抗弯强度、密度、电阻、和腐蚀电流等；双极板部件的主要测试项目包括气体致密性、阻力降、面积利用率、厚度均匀性、平面度和电阻。

双极板材料体积电阻率和接触电阻测试采用四探针电阻测试仪，试验样品5cm×5cm，或有供需双方决定，数量5个（至少保证3个有效值）；

体积电阻率作为材料的一个重要性能，其性能优异直接代表了材料使用的绝缘可靠性，体积电阻率较高的材料代表在同等使用工况下其绝缘可靠性更高；

体积电阻率测试：靠近边缘和中心的5个位置进行测试，记录不同部位体积电阻值。


图5 四探针法测电阻率装置原理图

接触电阻测试：电极为镀金铜电极，测试时扩散层碳纸作为试样两侧支撑物，压力每增加0.1MPa进行一次测试，直到两次变化率≤5%；取出样品后剩下装置分别测试不同压力下的电阻值。


图6接触电阻测试装置示意图

5  碳纸

碳纸是目前应用最广泛的扩散层材料，气体扩散层用于分布反应气体，在电极和双板之间传导子热量，测试标准依据GB/T 20042.7-201《质子交换膜燃料电池 第7部分：炭纸特性测试方法》。测试项目包括：厚度均匀性、电阻、机械强度、透气率、孔隙率和表观密度、面密度、粗糙度。

用到的设备主要是扫描电子显微镜。扫描电子显微镜(SEM) 是一种介于透射电子显微镜和光学显微镜之间的一种观察手段。其利用聚焦的很窄的高能电子束来扫描样品, 通过光束与物质间的相互作用, 来激发各种物理信息, 对这些信息收集、放大、再成像以达到对物质微观形貌表征的目的。此外, 扫描电子显微镜和其他分析仪器相结合, 可以做到观察微观形貌的同时进行物质微区成分分析。



图7 扫描电镜及原理示意图

总结

综上，本文介绍了燃料电池关键部件的一些材料力学、电学基础性能和微观形貌分析测试，主要是参照国家标准、以及评估材料性能对于关键部件的基础性能的影响来进行测试。

单体部件的性能对燃料电池电堆的整体性能（发电效率、环境适应性、长期使用可靠性等）起着决定性的影响，因此其各项性能检测在研发、生产过程中至关重要。