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，其理論熱效率高達(dá)近100%，實際轉(zhuǎn)換效率也可達(dá)50%~60%，且其產(chǎn)物僅有水，因此其能量轉(zhuǎn)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擬的優(yōu)勢。被“時代周刊”列為改變未來世界的十大新科技之一。
氫燃料電池堆是整個燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的核心部分，而氫燃料電池堆的關(guān)鍵零部件的性能直接關(guān)系到電池堆的使用可靠性，單體零部件的性能對燃料電池堆的整體性能起著決定性的影響，因此電池堆關(guān)鍵零部件的性能成為電池堆生產(chǎn)商選材必須要考慮的問題，因此在電堆集成前需要對各個部件的工作穩(wěn)定性進(jìn)行測試。本文梳理了質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵零部件的典型測試要求，包括質(zhì)子交換膜、電催化劑、膜電極、雙極板、擴(kuò)散層等。

1  質(zhì)子交換膜
質(zhì)子交換膜是電堆的核心組件，以聚合物膜作為電解質(zhì)，其性能直接影響燃料電池的性能。 質(zhì)子交換膜主要作用：一方面為電解質(zhì)提供氫離子通道，一方面作為隔膜隔離兩級反應(yīng)氣體，此外還需要對催化劑層起到支撐作用。

測試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 20042.3-2009《質(zhì)子交換膜燃料電池 第3部分：質(zhì)子交換膜測試方法》。主要測試項目包括：厚度均勻性、透氣率質(zhì)子交換傳導(dǎo)率、離子交換當(dāng)量、拉伸性能、吸水率和溶脹率。
以測試項目中的力學(xué)性能試驗-拉伸強(qiáng)度測試為例，需要采用萬能試驗機(jī)測量材料在拉伸過程中承受的最大拉伸應(yīng)力，以MPa表示。材料的拉伸強(qiáng)度作為一項重要的力學(xué)性能，其性能直接關(guān)系到材料使用過程中的可靠性，對于拉伸強(qiáng)度較小的材料，會因使用過程中拉伸外力造成材料斷裂現(xiàn)象引起材料失效。試驗樣品：啞鈴型或長條形，每方向3根；在溫度25℃±2℃，相對濕度50%±5%的條件下至少處理4h；試驗參數(shù)：50-200mm/min。


圖1 萬能試驗機(jī)


a-脆性材料，b和c-有屈服點的韌性材料，d-無屈服點的韌性材料
圖2 典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2  電催化劑

電催化劑使電極、電解質(zhì)界面上的電荷轉(zhuǎn)移加速反應(yīng)的一種催化劑，催化劑是質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極（MEA）的關(guān)鍵材料之一，決定了電池的放電性能和壽命。

電催化劑測試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 20042.4-200《質(zhì)子交換膜燃料電池 第4部分：電催化劑測試方法》。主要測試項目包括：Pt含量測試、電化學(xué)活性面積、比表面積、孔容、孔徑分布、形貌及粒徑分布、催化劑密度等。


圖3 氣相色譜儀





3  膜電極

膜電極是燃料電池堆的核心零部件，是燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所，其性能直接決定著燃料電池的發(fā)電能力及壽命。

膜電極測試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 20042.5-2009《質(zhì)子交換膜燃料電池 第5部分：膜電極測試方法》。主要測試項目包括：厚度均勻性、Pt擔(dān)載量、單電池極化曲線、滲氫電流密度、活化極化過電位和歐姆極化過電位。

其中極化曲線測試是燃料電池測試中最常采用的性能評價測試方法，反映的是燃料電池膜電極在不同電流密度下的電位。


圖4 典型燃料電池極化測試曲線

4  雙極板

雙極板是將質(zhì)子交換膜燃料電池串聯(lián)起來組裝成電堆的關(guān)鍵部件，雙極板用于分隔氫氣與氧氣并收集電流，雙極板兩側(cè)分別與陽極和陰極的膜電極接觸，并支撐其他部件，其質(zhì)量直接影響燃料電池電堆的輸出功率和使用壽命。雙極板原材料主要包括：石墨、金屬材料、復(fù)合材料。測試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 20042.6-2011《質(zhì)子交換膜燃料電池 第6部分：雙極板特性測試方法》。主要測試項目包括：氣密性、抗彎強(qiáng)度、密度、電阻、和腐蝕電流等；雙極板部件的主要測試項目包括氣體致密性、阻力降、面積利用率、厚度均勻性、平面度和電阻。

雙極板材料體積電阻率和接觸電阻測試采用四探針電阻測試儀，試驗樣品5cm×5cm，或有供需雙方?jīng)Q定，數(shù)量5個（至少保證3個有效值）；

體積電阻率作為材料的一個重要性能，其性能優(yōu)異直接代表了材料使用的絕緣可靠性，體積電阻率較高的材料代表在同等使用工況下其絕緣可靠性更高；

體積電阻率測試：靠近邊緣和中心的5個位置進(jìn)行測試，記錄不同部位體積電阻值。


圖5 四探針法測電阻率裝置原理圖

接觸電阻測試：電極為鍍金銅電極，測試時擴(kuò)散層碳紙作為試樣兩側(cè)支撐物，壓力每增加0.1MPa進(jìn)行一次測試，直到兩次變化率≤5%；取出樣品后剩下裝置分別測試不同壓力下的電阻值。


圖6接觸電阻測試裝置示意圖

5  碳紙

碳紙是目前應(yīng)用最廣泛的擴(kuò)散層材料，氣體擴(kuò)散層用于分布反應(yīng)氣體，在電極和雙板之間傳導(dǎo)子熱量，測試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 20042.7-201《質(zhì)子交換膜燃料電池 第7部分：炭紙?zhí)匦詼y試方法》。測試項目包括：厚度均勻性、電阻、機(jī)械強(qiáng)度、透氣率、孔隙率和表觀密度、面密度、粗糙度。

用到的設(shè)備主要是掃描電子顯微鏡。掃描電子顯微鏡(SEM) 是一種介于透射電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種觀察手段。其利用聚焦的很窄的高能電子束來掃描樣品, 通過光束與物質(zhì)間的相互作用, 來激發(fā)各種物理信息, 對這些信息收集、放大、再成像以達(dá)到對物質(zhì)微觀形貌表征的目的。此外, 掃描電子顯微鏡和其他分析儀器相結(jié)合, 可以做到觀察微觀形貌的同時進(jìn)行物質(zhì)微區(qū)成分分析。



圖7 掃描電鏡及原理示意圖

總結(jié)

綜上，本文介紹了燃料電池關(guān)鍵部件的一些材料力學(xué)、電學(xué)基礎(chǔ)性能和微觀形貌分析測試，主要是參照國家標(biāo)準(zhǔn)、以及評估材料性能對于關(guān)鍵部件的基礎(chǔ)性能的影響來進(jìn)行測試。

單體部件的性能對燃料電池電堆的整體性能（發(fā)電效率、環(huán)境適應(yīng)性、長期使用可靠性等）起著決定性的影響，因此其各項性能檢測在研發(fā)、生產(chǎn)過程中至關(guān)重要。